天文學家發現了氣體流動的新細節，這些氣體流動會雕刻形成行星的圓盤並隨著時間的推移塑造它們，從而讓我們得以一窺我們自己的太陽系可能是如何形成的。
天文學家使用 NASA 的 占士韋伯太空望遠鏡 以前所未有的細節觀察到了原行星盤中的盤風，為恒星和行星系統的形成提供了線索。這些發現可能代表了數十億年前塑造我們太陽系的力量，突出了吸積和角動量損失等關鍵過程，這些過程對年輕恒星和行星的演化至關重要。
恒星形成和行星系統
每秒，有超過 3,000 顆恒星在可見宇宙中誕生。許多行星被天文學家所說的原行星盤所包圍——一個由熱氣體和塵埃組成的漩渦狀「煎餅」，是行星的誕生地。然而，驅動恒星和行星系統形成的確切機制仍然難以捉摸。
由亞利桑那大學研究人員領導的天文學家團隊利用 NASA 的占士韋伯太空望遠鏡 捕捉了一些迄今為止對塑造這些原行星盤的力量的最詳細的見解。他們的觀察為了解 46 億年前太陽系的外觀提供了一個視窗。
洞察原行星盤動力學
具體來說，該團隊能夠以前所未有的細節追蹤所謂的盤風。這些風是從行星形成盤吹向太空的氣體流。這些風主要由磁場提供動力，可以在一秒鐘內傳播數十英裏。研究人員的研究結果於 10 月 4 日發表在【 自然天文學】（Nature Astronomy ） 雜誌上，有助於天文學家更好地了解年輕的行星系統是如何形成和演變的。
根據該論文的主要作者、U of A 月球和行星實驗室教授 Ilaria Pascucci 的說法， 原行星盤 中最重要的過程之一是恒星吃掉其周圍盤中的物質，這被稱為吸積。
「恒星如何吸積質素對周圍盤如何隨時間演變有很大影響，包括行星後來的形成方式，」帕斯庫奇說。「這種情況發生的具體方式尚不清楚，但我們認為磁場驅動的大部份盤表面的風可能發揮非常重要的作用。」
論文中描述的光源之一 （Hp0） 的合成 RGB 影像首次顯示了具有多個示蹤劑的盤式風的巢狀形態：Fe[II] 發射（藍色）追蹤最快和最準直的分量（噴流）。Fe[II] 發射巢狀在較低速度的氫發射（綠色）中，而該發射本身巢狀在更慢的一氧化碳 （J=2-1） 發射（紅色）中。Fe[II] 和氫發射是使用 JWST/NIRSpec 獲得的，而一氧化碳發射是之前透過 ALMA（阿塔卡馬大型毫米波陣列）觀察到的。圖片來源：Ilaria Pascucci 等人。
了解吸積和角動量
年輕恒星是透過從周圍旋轉的盤中吸入氣體來生長的，但為了實作這一點，氣體必須首先擺脫一些慣性。否則，氣體將始終圍繞恒星執行，永遠不會落到恒星上。天體物理學家將這個過程稱為「失去角動量」，但事實證明，具體如何發生一直難以捉摸。
為了更好地了解角動量在原行星盤中的工作原理，想象一個冰上的花式溜冰運動員會有所幫助：將手臂放在身體旁邊會讓她旋轉得更快，而伸展手臂會減慢她的旋轉速度。因為她的質素沒有變化，所以角動量保持不變。
要發生吸積，穿過圓盤的氣體必須釋放角動量，但天體物理學家很難就這究竟是如何發生的達成一致。近年來，盤風已成為從盤表面帶走一些氣體的重要參與者——隨之而來的是角動量——這使得剩余的氣體能夠向內移動並最終落到恒星上。
占士韋伯太空望遠鏡於 2021 年發射，旨在超越哈勃望遠鏡，具有先進的紅外功能和直徑為 6.5 米的主鏡。JWST 位於拉格朗日的第二個點，使天文學家能夠窺探宇宙最早的時代，探索天體和系外行星大氣層的形成。圖片來源：NASA 戈達德太空飛行中心
使用占士韋伯太空望遠鏡進行高級觀測
根據該論文的第二作者、 美國太空總署 太空望遠鏡科學研究所 的卓斯·貝克 （Tracy Beck） 的說法，因為還有其他過程正在塑造原行星盤，所以能夠區分不同的現象至關重要。
雖然盤內邊緣的物質被恒星的磁場以所謂的 X 風推出，但盤的外部被強烈的星光侵蝕，導致所謂的熱風，其吹速要慢得多。
「為了區分磁場驅動的風、熱風和 X 風，我們確實需要 JWST（占士韋伯太空望遠鏡）的高靈敏度和分辨率，」貝克說。
與狹焦的 X 風不同，本研究中觀察到的風來自一個更廣泛的區域，其中包括我們太陽系的內部巖石行星——大致在地球和 火星 之間。這些風也比熱風在圓盤上方延伸得更遠，達到地球和太陽之間距離的數百倍。
「我們的觀測強烈表明，我們已經獲得了第一批風的影像，這些影像可以消除角動量並解決恒星和行星系統如何形成的長期問題，」帕斯庫奇說。
未來的研究方向和啟示
在他們的研究中，研究人員選擇了四個原行星盤系統，從地球上看時，它們都呈側面顯示。
「它們的方向使盤中的塵埃和氣體起到了掩模的作用，阻擋了部份明亮的中心恒星的光線，否則這些光會壓倒風，」月球與行星實驗室（Lunar and Planetary Laboratory）的研究生納曼·巴賈吉（Naman Bajaj）說，他為這項研究做出了貢獻。
透過將 JWST 的探測器調整為處於某些轉變狀態的不同分子，該團隊能夠追蹤風的各個層次。觀測結果揭示了一個復雜的三維結構，它位於一個錐形的風包層中，風的圓錐形包絡起源於逐漸變大的圓盤距離，類似於洋蔥的分層結構。據研究人員稱，一個重要的新發現是一致地檢測到視錐體內有一個明顯的中心孔，這是由四個盤中每個盤中的分子風形成的。
接下來，帕斯庫奇的團隊希望將這些觀測擴充套件到更多的原行星盤，以更好地了解觀察到的盤狀風結構在宇宙中的常見程度以及它們如何隨著時間的推移而演變。
「我們相信它們可能很常見，但有四個天體，有點難以說，」帕斯庫奇說。「我們想用占士·韋伯 （James Webb） 獲得更大的樣本，然後看看我們是否能在恒星聚集和行星形成時檢測到這些風的變化。」
