行星在年轻恒星周围的气体和尘埃盘内形成，但它们所依赖的气体供应是暂时的。美国宇航局的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）新观察为天文学家提供了更清晰的图景，展示了这些气体如何逃逸以及主导逃逸机制如何随着行星系统的成熟而变化。这项研究由亚利桑那大学的纳曼·巴贾杰（Naman Bajaj）主导，SETI研究所的科学家乌玛·戈提（Uma Gorti）共同撰写，检查了72颗年轻的类太阳恒星及其原行星盘。这是JWST进行的最大规模的行星形成研究之一，表明不同类型的气流在系统早期发展的不同阶段主导。研究结果发表在《天文学期刊》上。行星形成有最后期限“这项研究令人兴奋的地方在于，我们现在可以看到，跨越大量年轻系统，去除气体的机制是如何随着时间变化的。盘的消散为行星形成设定了一个基本的时钟：一旦气体消失，形成富含气体的行星的机会基本上就结束了，”戈提说。我们的太阳系现在大约有45亿年历史，主要由空旷的空间组成。然而，在其头几百万年中，年轻的太阳被一个密集的原行星盘环绕，气体约比尘埃多出100倍。几乎所有这些气体最终都消失了。理解这一材料何时以及如何丢失很重要，因为气体对于形成像木星和土星这样的大行星是必不可少的。如果一个盘失去气体的速度过快，则正在形成的行星可能没有足够的时间积累成为气体巨星所需的巨大氛围。JWST追踪逃逸气体巴贾杰及其同事使用JWST的中红外仪器（MIRI）的档案观察研究了这一过程。72个系统涵盖了行星发展的不同阶段。它们结合在一起，提供了一个快照序列，允许研究人员重建随着系统变老而气体消散的变化。在2020年，论文的第二作者以及巴贾杰的导师LPL教授伊拉里亚·帕斯库奇（Ilaria Pascucci）领导了一项相关研究，检查了喷流和气流是如何演变的。在JWST之前，研究人员无法直接观察分子氢，但该团队预测分子气流应该存在，并且在最早的阶段其密度足以阻挡X射线光子。通过在最新的观察中直接追踪分子氢，巴贾杰的团队用JWST的图像证实了这些预测。研究人员集中在两个逃逸物质的指示物上：分子氢，即原行星盘中最丰富的分子，以及离子化氖。JWST的灵敏度和分辨率使他们能够区分包含分子氢的广泛气流与以氖为迹象的喷流和气流。在年轻的系统中，物质仍然落入中央恒星，研究人员探测到了强喷流以及包含分子气体和原子气体的广泛气流。这些气流与穿过盘的磁场产生的气流一致。气体可以沿着这些磁场线向外流动，从而从盘中去除物质和角动量。恒星辐射接管随着行星系统的成熟和向恒星流入的物质减少，喷流减弱，逃逸的气体也日益变得原子化。在这个阶段，年轻恒星的高能辐射可以穿透越来越稀薄的物质，并加热盘中的气体直至其逃逸。这种机制被称为光蒸发。戈提花了几十年研究原行星盘的演化和散布，包括年轻恒星的紫外线和X射线辐射在驱动光蒸发气流中的作用。最新的JWST观察提供了对这一理论研究的观测性关联，跨越数十个系统。它们显示，随着盘的老化，光蒸发变得越来越重要，而基于磁力驱动的喷流和气体流则减弱。这些发现表明，没有单一机制负责清理形成行星的盘。相反，年轻系统似乎以强大的磁力驱动喷流和气流开始，随后过渡到一个阶段，其中原子气流，包括通过光蒸发产生的气流，变得日益重要。这一过渡对发展中的行星具有重大影响。“因此，行星形成是一场与时间的赛跑，”巴贾杰说。“像木星这样的气体巨行星必须在盘仍然足够大以供给它们的早期阶段组装其巨大气氛，而在这之后气流和喷流将原材料带入太空。”研究人员在72个盘中的66个检测到了来自分子氢和离子化氖的扩展辐射。在46个系统中出现了锥形的分子氢气流，而在40个系统中发现了快速移动的氖喷流。每个含有氖喷流的系统也显示出由分子氢或氧追踪的气流的证据。