“一些资深的研究人员认为这是无法达成的，但经过几个月严格的测试，我们做到了！”

上图为身处半明半暗之中的木星，以及相比之下十分娇小的木卫一。（图源：宇航局/约翰霍普金斯大学应用物理实验室/西南研究所/戈达德太空飞行中心）

太阳系中，并非所有行星都如同地球那样拥有固态的核心，有些行星几乎完全是由气体构成的。人们无法“站”在木星的任何地方，除非有人可以设法穿过木星的大气层，并在极端的压力下到达其潜在的岩石核心。当然，这听起来不太可能实现。

即使是科幻电子游戏的创作者有时也难以描绘这些世界的样子。在游戏《星空》中，玩家无法自由探索整个太阳系，比如海王星。不用说，巨大的气态行星对科学家们有着极致的吸引力。如今，他们把难题抛给了詹姆斯·韦伯太空望远镜的强大红外线眼。

2024年3月，有一个团队宣布，多亏了韦伯望远镜，他们在研究气态巨行星的形成动力学方面有了进展。研究人员使用望远镜探测了所谓的“盘风”（disk wind）。它并不是你认为的地球上的风，而是指气体在恒星周围留下吸积盘的过程。这个“圆盘”充满了不同类型的物质，未来可能成为行星的一部分。因此，它也被称为“原行星盘”。

“我们知道‘盘风’的存在，它们可能在吸积盘演化中发挥重要作用，”亚利桑那大学月球和行星科学实验室的科学家、“盘风”研究的牵头人纳曼·巴贾吉称。“我们不知道的是潜在的物理原理，因此也不知道损失了多少质量。这些恰巧是回答其影响力相关所有问题的关键。”

需要明确的是，这样的吸积盘也会包含非气体碎片，就像尘埃一样，随着时间的推移，它们会聚集在一起，形成岩石行星。地球就曾经被认为是这样形成的。

巴贾吉说:“从‘盘风’这个名字上看，就能知道它的速度并不快。”他解释说，研究小组研究的“盘风”似乎以每秒10到15公里的速度移动。快速移动的气体模式通常被称为“喷流”，它们的速度可以超过每秒100公里。

尽管巴贾吉和他的同事们并没有给出一个最终的答案，即在原行星盘气体完全耗尽之前，气态行星需要多长时间才能形成，但他们确实根据自己的计算给出了一个大致的结果。他们估计:“考虑到吸积盘上的气体质量，假设气体将以我们发现的恒定速率（每年大约一个月球质量）持续消散，大约需要10万年。”

这个数字听起来时间很长。但是，正如巴贾吉强调的那样，从天文学的角度来看，这是一个非常短的时间尺度，因为一个原行星盘的寿命大约是500万到1000万年。

如何寻找原行星盘？

追寻“盘风”踪迹的第一步是找到“盘风”的主体，那就自然需要锁定一个原行星盘。

太阳系不适合这种分析，因为其中所有的行星都是完整的——包括气态行星。因此，研究小组最终将目标锁定在一颗年轻的低质量恒星T Cha。老实说，这颗恒星本身就非常有趣。这个闪闪发光的天体距离地球约350光年，它的圆盘上有一个很大的尘埃间隙。

巴贾吉表示：“这些间隙被认为是由行星在绕恒星运行时消耗沿途物质而产生的。”

这样的间隙表明，这颗恒星周围确实有正在萌芽的行星，而且恒星的年龄足够大，以至于这些新生的行星有时间吞噬掉部分圆盘。“我们也称这为过渡阶段，”巴贾吉说。“它正在从一个原行星盘过渡到一个更像太阳系的结构。”此外，巴贾吉解释说，之前的地面观测表明，圆盘中有氖气，这基本上标志着圆盘中的气体是慢慢流出的。稍后会详细介绍。

确认好“盘风”主体之后，就可以对其进行观测了。让我们先来看看氖气吧！

这是年轻恒星T Cha周围区域的可见光宽视场图像，由红色和蓝色滤镜拍摄的照片合成。（图源：ESO和数字化天空调查2，致谢：戴维·德·马丁）

气体中的贵族

氖气是一种惰性气体，这是由于氖是一类由外层电子壳层或价壳层完全填满的原子所代表的元素。简单地说，因为最外层电子满排列，导致气体非常不活泼。然而，如果暴露在足够高的温度下，它们仍然有可能失去其中一个外层电子，气体就会被“电离”或呈带电状态。

因为电子带负电荷，失去一个电子会使原本中性的原子带正电；得到一个额外的电子则会使原子带负电。对于天文学家而言，当宇宙中以这种方式发生电离时，会留下一个可以被设备追踪的信号，包括詹姆斯·韦伯太空望远镜。

而且，正如巴贾吉解释的那样，氖气的特征对于跟踪“盘风”而言是十分特别的。

首先，一些气体更有可能存在于原行星盘中，轻质的氖气就是其中之一。“对于较重的惰性气体，它们的丰度非常低，所以我们不会看到它们，”巴贾吉解释说。

其次，不同元素的电离过程不同。有时候，需要很高的温度才能把电子踢出原子；而有的时候，电子更愿意在较低的温度下离开。

巴贾吉认为，氦气电离的温度要求很高，而氖原子在温和的温度下就会释放出一个电子——这就是为什么研究小组专门寻找氖气来观察T Cha原行星盘中的气体是如何演变的。简而言之，他们找到了两个。

“当我们第一次看到光谱时，我们看到两条代表氖气的线都在蓬勃发展!”巴贾杰说，其中一条线实际上从未在T Cha附近出现过。“通过JWST的观察，我们发现氖气来自离恒星更远的地方。我花了8个月的时间试图从图像中弄清楚我们是否可以看到氖发射结构，这非常困难”。

当然这还不是全部，惊喜随之而至。

艺术家用插图描绘了气体离开新生行星形成圆盘的样子。（图源：ESO/M. Kornmesser）

除了氖谱线，研究小组还发现了一条非常强的氩谱线。虽然以前在一些原行星盘中也看到过这样的氩线，但没有一个表现得如此强烈。

另一个惊喜接踵而至。巴贾吉说:“我们一直认为有两条氖谱线和一条氩谱线，但有一天我在检查光谱时发现我们有第二条氩谱线。它比其他所有的发射线都弱得多，所以我们错过了很长一段时间。一些高级研究人员认为这是不可能做到的，但经过几个月更严格的测试，我们证实我们做到了。”

我们该何去何从

巴贾吉重申的一个重要观点是，在深度了解气体行星这一宏大征程上，该团队的新成果尽管至关重要，但仍是一小步。这些奇怪的气体球体从何而来?它们的结构似乎难以捉摸。

这项新研究不仅加强了此前在这一领域进行的许多观察，还为未来一系列精彩的研究打开了大门。例如，有了这些“盘状风”的细节，该研究的合著者、荷兰莱顿大学的博士后研究员安德鲁·塞莱克撰写了一篇论文，概述了“盘状风”过程是由一种叫做光蒸发的东西驱动的。

简单而言，光蒸发在这种情况下指的是恒星的能量加热其周围圆盘中的气体，然后迫使气体分散到太空中。“这的过程很像地球上的水蒸发，”巴贾吉说。另外，塞莱克的论文已被《天文学杂志》接受发表。

这一研究主题十分引人入胜。例如，由于气体离开原行星盘的方式，一旦气体消失，只有岩石行星才能形成。还有一种情况是，气体世界，尤其是气体巨星，更有可能出现在行星系统的外部区域。在原行星盘的外部区域往往有更多的质量，从而形成整体质量更大的行星——这包括类似木星的气态巨行星。此外，寄主星自己在这件事上也有发言权。

巴贾吉说:“非常靠近恒星的岩石行星很少或根本没有大气层（像水星一样），因为大气被太阳的高能光子剥离——类似于光蒸发。对于气态巨行星来说，如果它们恰好在恒星附近形成，它们就有可能在气体和太阳能量之间找到平衡。”

最后，所有这些都证明了詹姆斯·韦伯太空望远镜是如何改变了我们对宇宙的理解。它的红外灵敏度无疑是强大的，但它的许多发现都要归功于已有的工作——帮助科学家们确定JWST应该精确地寻找哪里的论文库。

巴贾吉感慨道：“我们确实站在巨人和巨型望远镜的肩膀上。”

BY:Monisha Ravisetti

FY:忙碌的北門

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来源: 天文在线