我们身处太阳系中，太阳系的起源和演化是天文学家始终关注的热点。他们除了对太阳系内的行星、卫星等天体开展探测以便了解太阳系的历史，还把目光投向其他恒星和围绕它们的行星系统，以此作为研究太阳系的一面镜子。随着观测能力的不断提高，特别是像詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope）这样强大的观测设备的出现，天文学家能够对合适的研究对象进行深入的研究，并逐步揭开笼罩在太阳系演化、行星诞生和生命起源等关键问题上的种种谜团。
在詹姆斯·韦布空间望远镜发射升空前，美国国家航空航天局（NASA）就遴选出13个用于展示望远镜观测能力的早期发布科学项目，其中包括一个称作「所有人的光解离区」（Photodissociation Regions for All，PDRs4All）的项目，这个项目的目标是对距离地球1350光年的猎户座星云内部区域进行迄今为止最详细的研究，那里是距离地球最近的行星形成区域。
哈勃空间望远镜拍摄到的猎户座星云内部区域（图中背景）以及詹姆斯·韦布空间望远镜拍摄到的原行星盘d203-506（图中左下放大的部分）。（图片来源：NASA）
原行星盘d203-506就位于这个区域内。原行星盘是由大量气体和尘埃组成的巨大圆盘，围绕着年轻的恒星旋转，为行星的诞生提供原材料，是名副其实的「行星摇篮」。这个原行星盘围绕一颗小型红矮星旋转，红矮星的年龄不超过100万年，质量只有太阳的10%左右。这意味着这是一颗非常年轻也相对较冷的恒星。
天文学家认为，太阳系在形成之初具有类似于今天猎户座星云的环境，因此对这个原行星盘的研究将使他们有机会回溯太阳系的历史，并与太阳系的演化进行对照。詹姆斯·韦布空间望远镜投入科学观测后，PDRs4All项目收获颇丰，近期就有针对原行星盘d203-506的重要研究成果先后发布。
木星来之不易
2024年3月1日，法国国家科学研究中心（CNRS）天体物理学和行星研究所的奥利维尔·贝尔内（Olivier Berné）领导的研究团队在【科学】（Science）上以封面文章的形式发表了他们的研究成果，他们发现来自附近大质量恒星的紫外线正在剥离d203-506中的气体，导致其质量迅速流失，并可能阻止原行星盘中行星的形成。
在猎户座星云中，年轻低质量恒星的附近还有一些大质量恒星。例如，d203-506中的红矮星发出的辐射比较微弱，而在这个系统的周围，有质量达到太阳质量10倍的大质量恒星，它们比太阳亮100000倍，能够发出非常强烈的远紫外辐射。这些大质量恒星发出的光线会破坏年轻低质量恒星周围的气体和尘埃盘。当原行星盘的表面被X射线或紫外线加热时，气体的温度增加，会从原行星盘中逃逸。这个过程被称作光致蒸发。原行星盘表面被附近的大质量恒星发出的远紫外线（FUV）强烈影响的区域称作光解离区（PDRs）。PDRs4All项目以这个区域为研究重点，项目名称也由此而来。
但是，长期以来，天文学家很难对这样的过程进行直接观测，因为猎户座星云的气体和尘埃对可见光的传播产生了明显的遮挡。此前，他们使用哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope）和位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵列（ALMA）对这个原行星盘进行过观测。由于哈勃空间望远镜主要在可见光波段进行探测，因此观测获得的原行星盘图像看起来很微弱。不过，阿塔卡马大型毫米波阵列的观测则提供了很强的信号，天文学家获得了很好的数据，因此决定使用詹姆斯·韦布空间望远镜进行更进一步的观测。
红外线可以有效穿透气体和尘埃的遮挡，而詹姆斯·韦布空间望远镜对红外线具有强大的探测能力。这样一来，天文学家能够透过弥漫于猎户座的气体和尘埃，对d203-506进行史无前例的精确探测。
这个团队在对d203-506的光解离区进行观测并建模后发现，光致蒸发导致这个系统正在高速地失去大量物质。这是天文学家首次报告直接观测到由远紫外线驱动的原行星盘发生光致蒸发的证据。他们还测量出气体从原行星盘中逃逸的速率，发现原行星盘每年损失的物质质量约为1个地球的质量。由此带来的结果是，这个系统由于缺少足够的物质而无法形成像木星一样大小的行星。
这项研究对于天文学家了解太阳系的演化有重要的意义。太阳系在形成之初也可能受到远紫外线辐射的影响，但是在今天的太阳系中，我们看到有木星这样巨大的行星，说明光致蒸发的过程并不总是会抑制行星的形成。这就提出了一个问题：为什么太阳系和d203-506会有这样的不同？贝尔内等人认为，一个重要的区别就是两个系统中恒星的质量。d203-506中的红矮星的质量只有太阳的10%，因此它的引力场较弱，围绕它的物质盘很难抵抗光致蒸发的效应；而太阳因为质量更大，具有更强的引力场，就能够抵抗光致蒸发而为行星的诞生预留出足够的物质。
基石分子现身
在PDRs4All项目中，贝尔内领导的研究团队已经对d203-506进行了一系列研究。2023年6月26日，他领导的研究团队在【自然】（Nature）上发表了一篇论文，宣布他们在d203-506中发现了重要的碳化合物甲基阳离子（Cp+）。这是天文学家首次在太空中发现这种重要的分子，它有助于形成更加复杂的碳基分子。目前，碳化合物构成了所有已知生命的基础。因此，这项研究有助于研究人员拓展星际有机化学研究的视野，进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索地外生命的可能性。
在这项研究中，詹姆斯·韦布空间望远镜依靠自身的空间和光谱分辨率以及灵敏度大显身手，它对甲基阳离子的系列关键发射线的探测是确认发现这种分子的关键。参与这项研究的法国巴黎萨克雷大学的玛丽-艾琳·马丁-杜拉梅尔（Marie-Aline Martin-Drumel）在美国国家航空航天局的官网上表示：「这项探测不仅验证了韦布望远镜不可思议的灵敏度，还证实了甲基阳离子在星际化学中的重要性。」
通常情况下，紫外线辐射被认为会破坏复杂的有机分子，因此在d203-506发现甲基阳离子似乎是一个惊喜。不过，这个研究团队预测紫外辐射实际上可能首先为甲基阳离子的形成提供了必要的能量来源。一旦形成，甲基阳离子就会促进后续的化学反应，从而形成更加复杂的碳分子。
这个研究团队注意到，在d203-506中发现的分子与典型的原行星盘中发现的分子相当不同，特别是他们在当时没有探测到任何水分子存在的迹象。贝尔内表示：「这清楚地表明，紫外线辐射可以完全改变原行星盘的化学性质。它可能在生命起源的早期化学阶段发挥着非常重要的作用。」
浴火重生的水
水是生命存在不可或缺的物质，因此天文学家在研究中格外关注水。就在贝尔内等人在【科学】上发表论文的几天前，2024年2月23日，由巴黎萨克雷大学的天文学家玛丽恩·詹尼斯（Marion Zannese）领导的研究团队在【自然·天文学】（Nature Astronomy）上发表了他们对d203-506的研究成果。他们不仅在这个原行星盘中发现了水，更发现有大量的水会在其中先被破坏然后再重新形成，每个月参与这个循环的水量就相当于地球上海洋的总水量。
目前的研究表明，地球上的水来自太阳系之外。早在太阳系诞生之前，这些水就在星际空间的寒冷环境中形成。但是，天文学家认为，在太阳系形成的早期阶段，也就是类似于d203-506目前所处的阶段，有一部分水会在100-500摄氏度的高温环境中经历一个先破坏再重组的「浴火重生」的过程。
天文学家希望在d203-506中找到理解高温水循环的钥匙。在这个过程中，附近的大质量恒星同样发挥了关键的作用。在光解离区中，大质量恒星发出的强烈紫外线不仅通过光致蒸发效应剥离了原行星盘中的大量物质，也快速摧毁了原行星盘中已有的水分子。
詹尼斯等人发现，当d203-506的水分子（pO）被紫外线破坏时，一个处于高速旋转状态的羟基分子（OH）会被释放出来，羟基分子发出的中红外波段的辐射可以被詹姆斯·韦布空间望远镜探测到。与此同时，他们还在近红外波段探测到羟基分子发出的另一组辐射，这个辐射信号表明在高温气体中，氧原子（O）正在与氢分子（p）发生化学反应生成大量的羟基分子（O + p→OH + H），而这些羟基分子还可以进一步与氢分子发生反应（OH+p）生成水分子。在这样的高温水循环过程中，羟基分子扮演着中介的角色。
这个过程重新处理了从寒冷的星际云中获得的水分子。詹尼斯等人推测，地球上的一些水分子可能就经历了这样一个过程，这样也就可以解释为什么地球海洋中的水分子与在原恒星周围发现的水分子相比同位素氘含量较低。
PDRs4All项目通过詹姆斯·韦布空间望远镜的观测获得了大量数据，除了以上这些研究外，还将持续产出有关d203-506的研究成果。这个年轻的行星摇篮，被天文学家从各个角度加以详细研究，有望为我们提供解开太阳系诸多谜团的钥匙。
南方周末特约撰稿 鞠强
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