韦伯在PDS70发现第三颗行星的迹象

目前，系外行星普查已在4,163个恒星系统中确认了5,599个发现，另有10,157个候选行星正在等待确认。到目前为止，其中绝大多数是使用间接方法检测到的，包括凌日光度测量(74.4%)和径向速度测量(19.4%)。

只有19个(或1.2%)是通过直接成像检测到的，直接成像是一种利用从系外行星大气层或表面反射的光来检测和表征它的方法。得益于最新一代的高对比度和高角分辨率仪器，这种情况正在开始改变。

其中包括詹姆斯·韦伯太空望远镜及其精密的镜子和先进的红外成像套件。利用韦伯近红外相机(NIRCam)获得的数据，参与MIRI中红外圆盘巡天(MINDS)调查的天文学家最近研究了一颗距离我们约370光年的非常年轻的变星(PDS70)，其中有两颗已确认的原行星。

在检查了该系统及其延伸的碎片盘后，他们发现了第三颗可能的原行星绕恒星运行的证据。这些观测结果可以帮助加深我们对仍在形成过程中的行星系统的理解。

MINDS调查是一项国际合作项目，由来自马克斯·普朗克天文学研究所(MPIA)、卡普滕天文研究所、奥地利科学院空间研究所(OAW-IFW)、马克斯·普朗克天文研究所的天文学家和物理学家组成。地外物理研究所(MPE)、天体生物学中心(CAB)、国家天体研究所(INAF)、都柏林高等研究所(DIAS)、SRON荷兰空间研究所和多所大学。

PDS70由于其年轻(5.3至550万年)和周围的原行星盘，近年来一直受到人们的关注。2018年至2021年间，根据先进的地面望远镜获取的直接成像数据，在该盘的间隙内确认了两颗原行星。其中包括欧洲南方天文台甚大望远镜(VLT)和阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)上的光谱偏振高对比度系外行星研究(SPHERE)和重力仪器。

近年来，MINDS团队利用韦伯光谱数据对多个恒星系统中的原行星盘进行了化学清查。在之前基于韦伯中红外仪器(MIRI)数据的研究中，MINDS团队在PDS70的内盘中检测到了水，距离恒星约1.6亿公里(1亿英里)或1.069个天文单位，这一发现可能对天体生物学和岩石行星(如地球)上水的起源产生影响。这些结果展示了韦伯令人印象深刻的能力，以及它如何以地面天文台无法到达的红外(IR)波长观测宇宙。

ValentinChristiaens是列日大学和鲁汶大学的FRS-FNRS博士后研究员，是这篇最新论文的主要作者。他通过电子邮件告诉《今日宇宙》：“韦伯仪器的优势在于，它们能够观察到无法从地面观察到的红外波长，因为我们的大气层吸收了大部分红外光谱。”“感谢韦伯，我们可以获得红外中正在形成的行星(称为原行星)的测量结果，这使我们能够更好地约束我们的行星形成模型。”

在他们的最新研究中，MINDS团队使用韦伯NIRCam的数据检查了PDS70，这是MIRI行星形成保证时间观测计划的一部分。Christiaens和他的团队有动力进一步研究PDS70，因为之前的研究表明可能检测到第三颗原行星。这使得该系统成为研究行星盘相互作用和寻找吸积特征的理想实验室。2019年，一个团队使用VLT/SPHERE仪器检测到可能存在第三个信号，但此后仍未得到证实。

对这个信号的一种可能的解释是它追踪了第三颗行星。克里斯蒂安斯和他的同事利用NIRCam数据试图重新探测到这个信号，并确认它是该系统中的第三颗行星。詹姆斯韦伯太空望远镜特别适合这项任务，这要归功于它先进的光学器件和日冕仪，它可以通过阻挡恒星的光线来消除韦伯图像的干扰。他和他的同事还得到了先进算法的帮助，这些算法有助于将星光与轨道上的其他点源(如系外行星)和碎片盘分开。正如克里斯蒂安斯所解释的：

“对另一颗恒星(称为参考星)的观察可用于减去感兴趣恒星的光并寻找那里的系外行星。在我们的研究中，我们选择了一种称为“滚动减法”的技术，其中两个序列分别在仪器旋转之前和之后拍摄感兴趣的恒星的图像，以便系外行星的位置在两个图像序列中发生旋转。从那里，通过从一个序列的图像中减去另一个序列的图像，并且反之亦然，我们可以有效地消除恒星的光并拍摄其环境(行星和圆盘)的图像。”

然后，研究小组将他们的测量结果与之前使用地面仪器进行的观测结果结合起来，并将其与行星形成模型进行比较。由此，他们可以推断出观测期间原行星周围积累的气体和尘埃的数量。图像的质量还使他们能够突出显示提供第二个已确认候选者(PDS70c)的气体和尘埃旋臂，正如模型所预测的那样。最后，他们检测到了与被尘埃笼罩的候选原行星一致的明亮信号。

“这个候选者如此有趣的原因在于，它可能与行星b和c处于1:2:4共振，这一点已经在系统中得到证实(即，它的轨道周期几乎比b的轨道周期短两倍和四倍)和c)，”克里斯蒂安斯说。这正是木星的三颗伽利略卫星(木卫三、木卫二和木卫一)所发生的情况，它们也处于1:2:4共振状态。对于天文学家来说，具有三颗行星处于这种轨道关系的恒星系统的可能性将是一个金矿。“然而，在确认这种共振之前，还需要更多的观察，”克里斯蒂安斯补充道。

除了证明韦伯的能力之外，这些发现还可以帮助我们了解当前行星系统如何形成和演化。这是JWST的主要目标之一：利用其先进的红外光学器件来探测行星仍在形成过程中的年轻恒星系统。自从开普勒开始探测那些违背了广泛接受的行星系统如何形成和演化理论的系外行星以来，这一直是天文学家的首要任务。特别是，对许多靠近太阳运行的气态巨行星(“热木星”)的探测与气态巨行星在恒星系统外围形成的理论相矛盾。

通过观察处于不同形成阶段的年轻恒星系统，天文学家希望检验有关太阳系形成的各种理论。

正如克里斯蒂恩斯总结的那样，“行星的迁移被认为在行星系统的演化中发挥着至关重要的作用，并有助于解释迄今为止通过间接方法发现的系统的多样性。在许多成熟的系统中，行星被发现彼此共振，表明这种迁移确实发生在过去。在我们的例子中，我们观察到一个非常年轻的系统，仍在形成中，其中两颗已知的巨行星似乎处于共振状态，而第三颗潜在行星(如果得到证实)将也与其他两个一样。就太阳系而言，我们怀疑巨行星的迁移和共振捕获可能也发生在很久以前，[这可以]解释它们当前的配置(大粘性假设).在这里，我们有可能在另一个系统中实时观察它!”