我們身處太陽系中，太陽系的起源和演化是天文學家始終關註的熱點。他們除了對太陽系內的行星、衛星等天體開展探測以便了解太陽系的歷史，還把目光投向其他恒星和圍繞它們的行星系統，以此作為研究太陽系的一面鏡子。隨著觀測能力的不斷提高，特別是像占士·韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope）這樣強大的觀測器材的出現，天文學家能夠對合適的研究物件進行深入的研究，並逐步揭開籠罩在太陽系演化、行星誕生和生命起源等關鍵問題上的種種謎團。
在占士·韋布空間望遠鏡發射升空前，美國太空總署（NASA）就遴選出13個用於展示望遠鏡觀測能力的早期釋出科學專案，其中包括一個稱作「所有人的光解離區」（Photodissociation Regions for All，PDRs4All）的專案，這個專案的目標是對距離地球1350光年的獵戶座星雲內部區域進行迄今為止最詳細的研究，那裏是距離地球最近的行星形成區域。
哈伯空間望遠鏡拍攝到的獵戶座星雲內部區域（圖中背景）以及占士·韋布空間望遠鏡拍攝到的原行星盤d203-506（圖中左下放大的部份）。（圖片來源：NASA）
原行星盤d203-506就位於這個區域內。原行星盤是由大量氣體和塵埃組成的巨大圓盤，圍繞著年輕的恒星旋轉，為行星的誕生提供原材料，是名副其實的「行星搖籃」。這個原行星盤圍繞一顆小型紅矮星旋轉，紅矮星的年齡不超過100萬年，質素只有太陽的10%左右。這意味著這是一顆非常年輕也相對較冷的恒星。
天文學家認為，太陽系在形成之初具有類似於今天獵戶座星雲的環境，因此對這個原行星盤的研究將使他們有機會回溯太陽系的歷史，並與太陽系的演化進行對照。占士·韋布空間望遠鏡投入科學觀測後，PDRs4All專案收獲頗豐，近期就有針對原行星盤d203-506的重要研究成果先後釋出。
木星來之不易
2024年3月1日，法國國家科學研究中心（CNRS）天體物理學和行星研究所的奧利維爾·貝爾內（Olivier Berné）領導的研究團隊在【科學】（Science）上以封面文章的形式發表了他們的研究成果，他們發現來自附近大質素恒星的紫外線正在剝離d203-506中的氣體，導致其質素迅速流失，並可能阻止原行星盤中行星的形成。
在獵戶座星雲中，年輕低質素恒星的附近還有一些大質素恒星。例如，d203-506中的紅矮星發出的輻射比較微弱，而在這個系統的周圍，有質素達到太陽質素10倍的大質素恒星，它們比太陽亮100000倍，能夠發出非常強烈的遠紫外輻射。這些大質素恒星發出的光線會破壞年輕低質素恒星周圍的氣體和塵埃盤。當原行星盤的表面被X射線或紫外線加熱時，氣體的溫度增加，會從原行星盤中逃逸。這個過程被稱作光致蒸發。原行星盤表面被附近的大質素恒星發出的遠紫外線（FUV）強烈影響的區域稱作光解離區（PDRs）。PDRs4All專案以這個區域為研究重點，專案名稱也由此而來。
但是，長期以來，天文學家很難對這樣的過程進行直接觀測，因為獵戶座星雲的氣體和塵埃對可見光的傳播產生了明顯的遮擋。此前，他們使用哈伯空間望遠鏡（Hubble Space Telescope）和位於智利的阿塔卡馬大型毫米波陣列（ALMA）對這個原行星盤進行過觀測。由於哈伯空間望遠鏡主要在可見光波段進行探測，因此觀測獲得的原行星盤影像看起來很微弱。不過，阿塔卡馬大型毫米波陣列的觀測則提供了很強的訊號，天文學家獲得了很好的數據，因此決定使用占士·韋布空間望遠鏡進行更進一步的觀測。
紅外線可以有效穿透氣體和塵埃的遮擋，而占士·韋布空間望遠鏡對紅外線具有強大的探測能力。這樣一來，天文學家能夠透過彌漫於獵戶座的氣體和塵埃，對d203-506進行史無前例的精確探測。
這個團隊在對d203-506的光解離區進行觀測並建模後發現，光致蒸發導致這個系統正在高速地失去大量物質。這是天文學家首次報告直接觀測到由遠紫外線驅動的原行星盤發生光致蒸發的證據。他們還測量出氣體從原行星盤中逃逸的速率，發現原行星盤每年損失的物質質素約為1個地球的質素。由此帶來的結果是，這個系統由於缺少足夠的物質而無法形成像木星一樣大小的行星。
這項研究對於天文學家了解太陽系的演化有重要的意義。太陽系在形成之初也可能受到遠紫外線輻射的影響，但是在今天的太陽系中，我們看到有木星這樣巨大的行星，說明光致蒸發的過程並不總是會抑制行星的形成。這就提出了一個問題：為什麽太陽系和d203-506會有這樣的不同？貝爾內等人認為，一個重要的區別就是兩個系統中恒星的質素。d203-506中的紅矮星的質素只有太陽的10%，因此它的重力場較弱，圍繞它的物質盤很難抵抗光致蒸發的效應；而太陽因為質素更大，具有更強的重力場，就能夠抵抗光致蒸發而為行星的誕生預留出足夠的物質。
基石分子現身
在PDRs4All專案中，貝爾內領導的研究團隊已經對d203-506進行了一系列研究。2023年6月26日，他領導的研究團隊在【自然】（Nature）上發表了一篇論文，宣布他們在d203-506中發現了重要的碳化合物甲基陽離子（Cp+）。這是天文學家首次在太空中發現這種重要的分子，它有助於形成更加復雜的碳基分子。目前，碳化合物構成了所有已知生命的基礎。因此，這項研究有助於研究人員拓展星際有機化學研究的視野，進一步了解生命如何在地球上繁衍生息，以及探索在宇宙中的其他地方搜尋地外生命的可能性。
在這項研究中，占士·韋布空間望遠鏡依靠自身的空間和光譜分辨率以及靈敏度大顯身手，它對甲基陽離子的系列關鍵發射線的探測是確認發現這種分子的關鍵。參與這項研究的法國巴黎薩克雷大學的瑪麗-艾琳·馬丁-杜拉梅爾（Marie-Aline Martin-Drumel）在美國太空總署的官網上表示：「這項探測不僅驗證了韋布望遠鏡不可思議的靈敏度，還證實了甲基陽離子在星際化學中的重要性。」
通常情況下，紫外線輻射被認為會破壞復雜的有機分子，因此在d203-506發現甲基陽離子似乎是一個驚喜。不過，這個研究團隊預測紫外輻射實際上可能首先為甲基陽離子的形成提供了必要的能量來源。一旦形成，甲基陽離子就會促進後續的化學反應，從而形成更加復雜的碳分子。
這個研究團隊註意到，在d203-506中發現的分子與典型的原行星盤中發現的分子相當不同，特別是他們在當時沒有探測到任何水分子存在的跡象。貝爾內表示：「這清楚地表明，紫外線輻射可以完全改變原行星盤的化學性質。它可能在生命起源的早期化學階段發揮著非常重要的作用。」
浴火重生的水
水是生命存在不可或缺的物質，因此天文學家在研究中格外關註水。就在貝爾內等人在【科學】上發表論文的幾天前，2024年2月23日，由巴黎薩克雷大學的天文學家瑪麗恩·詹尼斯（Marion Zannese）領導的研究團隊在【自然·天文學】（Nature Astronomy）上發表了他們對d203-506的研究成果。他們不僅在這個原行星盤中發現了水，更發現有大量的水會在其中先被破壞然後再重新形成，每個月參與這個迴圈的水量就相當於地球上海洋的總水量。
目前的研究表明，地球上的水來自太陽系之外。早在太陽系誕生之前，這些水就在星際空間的寒冷環境中形成。但是，天文學家認為，在太陽系形成的早期階段，也就是類似於d203-506目前所處的階段，有一部份水會在100-500攝氏度的高溫環境中經歷一個先破壞再重組的「浴火重生」的過程。
天文學家希望在d203-506中找到理解高溫水迴圈的鑰匙。在這個過程中，附近的大質素恒星同樣發揮了關鍵的作用。在光解離區中，大質素恒星發出的強烈紫外線不僅透過光致蒸發效應剝離了原行星盤中的大量物質，也快速摧毀了原行星盤中已有的水分子。
詹尼斯等人發現，當d203-506的水分子（pO）被紫外線破壞時，一個處於高速旋轉狀態的羥基分子（OH）會被釋放出來，羥基分子發出的中紅外波段的輻射可以被占士·韋布空間望遠鏡探測到。與此同時，他們還在近紅外波段探測到羥基分子發出的另一組輻射，這個輻射訊號表明在高溫氣體中，氧原子（O）正在與氫分子（p）發生化學反應生成大量的羥基分子（O + p→OH + H），而這些羥基分子還可以進一步與氫分子發生反應（OH+p）生成水分子。在這樣的高溫水迴圈過程中，羥基分子扮演著中介的角色。
這個過程重新處理了從寒冷的星際雲中獲得的水分子。詹尼斯等人推測，地球上的一些水分子可能就經歷了這樣一個過程，這樣也就可以解釋為什麽地球海洋中的水分子與在原恒星周圍發現的水分子相比同位素氘含量較低。
PDRs4All專案透過占士·韋布空間望遠鏡的觀測獲得了大量數據，除了以上這些研究外，還將持續產出有關d203-506的研究成果。這個年輕的行星搖籃，被天文學家從各個角度加以詳細研究，有望為我們提供解開太陽系諸多謎團的鑰匙。
南方周末特約撰稿 鞠強
責編 朱力遠
