詹姆斯韦布望远镜揭示尘埃如何变成行星

詹姆斯韦布望远镜揭示尘埃如何变成行星(图1)

天文学家通常用一些极为庞大的数字来描述宇宙。他们以光年为单位测量银河系内的距离,1光年等于5.9万亿英里(9.5万亿公里),而其他星系则相距数百万甚至数十亿光年。恒星通常在宇宙诞生后长达数十亿年的寿命中运行,而整个宇宙的年龄约为137亿年。

但这些巨大的数字掩盖了某些事件以惊人速度发生的现象。例如,微米级的尘埃颗粒只需几百万年就能成长为直径数千英里的行星。科学家们尚未完全理解这一过程为何能如此迅速完成,尽管已有大量证据表明,这种现象不仅发生在我们的太阳系,也普遍存在于银河系中大多数恒星周围。

这个问题的一个重要来源是弥漫在行星形成盘中的尘埃和气体。这些物质遮挡了我们对这一过程的观测,尤其是在可见光波段。但具备红外敏感能力的詹姆斯·韦布空间望远镜(JWST)能够提供更清晰的视角以及卓越的分辨率。

加州帕萨迪纳喷气推进实验室的天体物理学家马里昂·维利纳夫领导了一个研究团队,利用詹姆斯·韦布空间望远镜对围绕年轻恒星IRAS 04302+2247的原行星盘进行了成像。他们选择这个天体,是因为从地球上看,它的结构几乎是侧视的。当一个系统是正面朝我们时,可能会显示出环形结构和间隙,这些可能表明正在形成的行星;而侧视的结构则能显示原行星盘的厚度,从而帮助测量尘埃密度以及尘埃形成行星的效率。

IRAS 04302+2247位于距离地球约525光年的Taurus星形成区域中的L1536暗云带。这颗恒星被尘埃遮蔽,质量为1.6倍太阳质量,表现出类I原恒星的特征,处于一个中间阶段,其红外波段特别明亮,但周围的气体包层已经开始分散。

科学家们使用近红外相机(NIRCam)和中红外仪器(MIRI),在波长从2.0到21微米的五个波段对天体进行了观测。为了生成左侧图像,他们还加入了哈勃空间望远镜的近红外观测数据。

左侧发光气体中心处的深色垂直条纹标志着原行星盘。该盘的宽度在不同波长下变化不大,表明其由直径约为10微米的中等尺寸颗粒组成。原行星盘向两侧延伸约400亿英里(650亿公里),超过海王星轨道直径的五倍。原行星盘两侧分别是反射星云,由尘埃颗粒反射中央原恒星发出的光线构成。

詹姆斯韦布望远镜揭示尘埃如何变成行星(图2)

有趣的是,研究团队指出,这两个星云在不同波长下的亮度有所不同。在较短的红外波长下,右侧(东侧)更明亮,但在21微米波长时,西侧则占优势。科学家认为,这种差异是由于盘状结构的内区相对于整体结构略微倾斜所致。

天文学家还将詹姆斯·韦布空间望远镜的图像与霍尔伯在大约25年前拍摄的图像进行了对比,发现其中一个特征在两个时期之间移动了约16个天文单位。(一个天文单位,即AU,是地球与太阳之间的平均距离,约为9300万英里[1.5亿公里]。)他们推测,这可能是一个尘埃团,正以每小时6700英里(每小时1.08万公里)的速度远离原恒星。