岩质行星的形成区域，有水存在？

不久前，通过阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵（ALMA）的观测，天文学家找到了强有力地观测证据表明，在距离地球约370光年之外的PDS 70系统中，存在着两个共享同一轨道的行星。（详见《在同一个轨道，竟有两颗行星？》）

现在，在一项新发表于《自然》杂志的研究中，PDS 70系统再次给我们带来了惊喜：利用韦布空间望远镜（JWST），研究人员在PDS 70的周围发现了水。

恒星PDS 70及其内原行星盘的艺术构想图。由JWST探测到的最新结果显示，在距离PDS 70不到1.6亿千米的地方发现了水蒸气，而这一区域可能是岩质类行星形成的区域。（图/ NASA， ESA， CSA， J. Olmsted (STScI)）

一、PDS 70内盘的水  

PDS 70是一颗K型星，大约有540万年历史。这颗恒星拥有一个由气体和尘埃构成的内盘和外盘，它们之间有一个宽约80亿千米的环状隙。PDS 70b和PDS 70c这两颗已知的气态巨行星，就存在于这个环状隙中。

随着时间的推移，行星形成盘中的气体和尘埃含量会有所下降。之所以会下降，要么是因为恒星的辐射或恒星风会带走一些尘埃和气体等物质，要么是因为尘埃可以逐渐聚集为更大的、最终形成行星的天体。

在过去的研究中，由于从未在类似的盘中心区域探测到水，因此天文学家怀疑，水可能无法存在于严酷的恒星辐射下，从而导致了干燥的岩质行星形成环境。为了检验这一猜测，天文学家使用JWST上的中红外仪器（MIRI）对PDS 70进行了观测。

MIRI是一个多用途的科学仪器，它研究波长在5到28微米之间的红外波。这次，MIRI在距离恒星PDS 70不到1.6亿千米的内盘，探测到了水蒸气，温度大约为330℃（600K）。这是距宿主星PDS 70非常近的距离，可能是岩质类行星形成的区域。

恒星PDS 70的圆盘的艺术构想图，JWST的观测结果表明，在通常形成岩质类行星的内盘，有水存在。两颗气态巨行星在成长过程中，形成了一个宽阔的环状隙。（图/MPIA）

然而，到目前为止，天文学家还没有发现任何行星在PDS 70的内盘内形成。不过他们的确发现了以硅酸盐形式存在的能够构建岩质星球的原材料。探测到水蒸气意味着，如果岩质行星是在那些区域形成的，那么它们诞生之初就有水可用。换句话说，岩质行星的形成环境可能根本没有那么干燥。

二、水的起源？  

水蒸汽的出现让研究人员感到意外，他们分析了几种可能性。

一种可能性是，在盘阶段之前，水就已经存在于含水星云中。在宇宙中，水其实非常普遍，尤其是冻结状态的水。当这些水被附近正在形成的恒星加热时，就会蒸发并与其他气体混合。与此同时，水分子也非常脆弱，当受到来自附近恒星的破坏性紫外线辐射时，就会分解成其他成分，比如氢和氧。然而，周围的物质，比如尘埃和水分子本身可以起到保护作用。因此，在PDS 70附近检测到的水，至少有一部分可以在这些破坏中幸存。

另一种可能性则源自于从PDS 70的外盘进入的气体。在有些情况下，氧气和氢气可以结合形成水蒸气。另外，这些移动的气体可能会从外盘将富含水的尘埃颗粒带进来。由于中心的恒星非常暗淡，因此它无法让处于外盘的水冰蒸发。只有当这些尘埃颗粒进入到非常接近恒星的内盘时，水冰才会变成水蒸气。

研究人员表示，真相或许是所有这些可能性的结合，不过某一种机制很可能在维持PDS 70盘的储水方面起到了决定性的作用。他们希望未来将能找出究竟是哪一个因素起到了决定性作用。

三、描绘巨幅画作  

JWST上的MIRI是非常功能强大的观测工具。即便如此，它也只能为整个故事提供一部分信息。就像一幅巨幅画作需要许多不同的颜色来传达它的信息一样，天文学家也需要运用不同的观测方法，才能覆盖广泛的波长范围，进而获取更加完整的信息。

现在，天文学家已经开始使用地基望远镜来获得额外的观测数据。与此同时，他们也在期待JWST的另一组将为PDS 70的内盘提供详细图像的观测结果，从而能进一步理解PDS 70系统。

参考来源：

https://www.mpg.de/20541783/water-rocky-planets?c=2249

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2023/webb-detects-water-vapor-in-rocky-planet-forming-zone

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06317-9

本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），编译：不二北斗，内文图片来源：NASA， ESA， CSA， J. Olmsted （STScI）