揭示高紫外线辐射环境中的行星形成奥秘

描述该研究的论文于5月20日发表在《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal)上。

"天文学家长期以来一直试图理解行星如何在环绕年轻恒星旋转的气体和尘埃盘中形成，"宾夕法尼亚州立大学埃伯理理学院天文与天体物理学博士后研究员、该研究的主要作者巴伦·波蒂利亚-雷韦洛（Bayron Portilla-Revelo）表示。"这些被称为原行星盘的结构是系外行星系统的诞生地，就像我们自己的太阳系在45亿年前形成时一样。原行星盘通常形成于发射大量紫外线（UV）辐射的大质量恒星附近，这可能会破坏圆盘并影响其形成行星的能力。尽管通过研究附近恒星形成区域的原行星盘已取得重大进展，但这些区域缺乏在更大、更常见的恒星形成区中存在的高强度紫外线辐射。"

紫外线辐射指的是能量高于可见光的不可见光。在地球上，这可能损害细胞，从轻微晒伤到皮肤癌不等。在太空中，没有行星大气层的过滤，紫外线辐射要强烈得多。该研究的焦点是一颗年轻的、太阳质量的恒星XUE 1，距离我们的太阳约5500光年，位于一个名为龙虾星云（Lobster Nebula）的区域，也被称为NGC 6357。该区域以拥有超过20颗大质量恒星而闻名，其中两颗是银河系中已知质量最大的恒星，也是极强的紫外线发射源。在同一区域，研究团队观测到了十几颗带有原行星盘的低质量年轻恒星，这些圆盘正承受强烈的紫外线辐射。

研究人员将詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的观测与精密的天体化学模型相结合，确定了围绕XUE 1的原行星盘中微小尘埃颗粒的成分，这些尘埃最终将成长形成岩石行星。他们发现该圆盘含有足够的固态物质，有可能形成至少10颗质量与水星相当的行星。作者们还确定了圆盘中多种先前探测到的分子的空间分布，包括水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、氰化氢和乙炔。

"预计这些分子将有助于新生行星大气层的形成，"宾夕法尼亚州立大学天文与天体物理学系研究教授、该研究的合著者康斯坦丁·盖特曼（Konstantin Getman）表示。"这些尘埃和气体储库的探测表明，即使在存在极端紫外线辐射的环境中，行星形成的基本构件也可能存在。"

此外，基于JWST探测到的光中缺失某些作为紫外线辐射示踪剂的分子，研究团队推断该原行星盘结构致密且外围缺乏气体。它仅延伸约10天文单位（一个基于地球与太阳平均距离的度量单位）——大致相当于太阳到土星的距离。研究团队认为，这种致密性很可能是外部紫外线辐射侵蚀圆盘外部区域的结果。

"这些发现支持了这样的观点：即使新生盘暴露在强烈的外部辐射下，行星也能在恒星周围形成，"宾夕法尼亚州立大学杰出高级学者、天文与天体物理学及统计学教授埃里克·费格尔森（Eric Feigelson）说。"这有助于解释为什么天文学家发现行星系统在其他恒星周围非常普遍。"

研究人员表示，对XUE 1的研究是理解外部辐射对原行星盘影响的关键一步。它为未来利用空间和地面望远镜的观测活动奠定了基础，旨在构建不同宇宙环境下行星形成的更全面图景。波蒂利亚-雷韦洛指出，这项研究凸显了NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜在探索行星形成复杂性方面的变革性能力，并强调了原行星盘在面对严峻环境挑战时的韧性。

除了波蒂利亚-雷韦洛、盖特曼和费格尔森外，研究团队还包括：德国海德堡马克斯·普朗克天文研究所的玛丽亚·克劳迪娅·拉米雷斯-坦努斯（Maria Claudia Ramírez-Tannus）和托马斯·亨宁（Thomas Henning）；伦敦玛丽女王大学的托马斯·J·霍沃思（Thomas J. Haworth）；荷兰内梅亨大学和荷兰空间研究所（SRON）的任斯·沃特斯（Rens Waters）；瑞典斯德哥尔摩大学的阿尔扬·比克（Arjan Bik）和珍妮·弗雷迪亚尼（Jenny Frediani）；荷兰格罗宁根大学的英加·坎普（Inga Kamp）；奥地利科学院的西尔克·E·范·特维斯加（Sierk E. van Terwisga）；法国尼斯蔚蓝海岸大学及德国海德堡马克斯·普朗克天文研究所的安德鲁·J·温特（Andrew J. Winter）；意大利博洛尼亚大学和INAF-阿切特里天体物理观测台的维罗妮卡·罗卡塔利亚塔（Veronica Roccatagliata）；德国慕尼黑路德维希-马克西米利安大学的托马斯·普赖比施（Thomas Preibisch）；美国亚利桑那州图森市双子天文台的埃琳娜·萨比（Elena Sabbi）；美国马里兰州巴尔的摩空间望远镜研究所的彼得·蔡德勒（Peter Zeidler）；以及英国赫特福德大学的迈克尔·A·库恩（Michael A. Kuhn）。

NASA资助了这项研究，并得到了宾夕法尼亚州立大学系外行星与可居住世界中心、德国研究基金会（Deutsche Forschungsgemeinschaft）、国际双子天文台（美国国家科学基金会NOIRLab项目，由大学天文研究协会根据与美国国家科学基金会的合作协议管理）、英国皇家学会多萝西·霍奇金奖学金、英国研究与创新署（UKRI）保障的欧洲地平线计划ERC整合者基金资助、瑞典国家航天局、德国航空航天中心、德国联邦经济事务和能源部、欧盟“地平线2020”研究与创新计划以及通过ERC协同基金“ECOGAL”获得的欧洲研究委员会的支持。