天文学家发现难以捉摸的行星其恒星周围有旋臂

银河系的描绘显示出螺旋“臂”的盘绕图案，其中充满了从中心向外延伸的恒星。在一些年轻恒星(正在形成的行星系统)周围的气体和尘埃漩涡云中也观察到了类似的模式。这些所谓的原行星盘是年轻行星的诞生地，它们引起了科学家的兴趣，因为它们可以让我们一睹太阳系在其婴儿期的样子以及行星的一般形成方式。科学家们长期以来一直认为这些盘中的旋臂可能是由新生行星引起的，但迄今为止尚未发现任何行星。

在《自然天文学》杂志上发表的一篇论文中，亚利桑那大学的研究人员报告称发现了一颗名为 MWC 758c 的巨型系外行星，该行星可能在其婴儿行星系统中产生旋臂。亚利桑那大学的天文学家还提出了一些可能性，解释为什么科学家过去一直在努力寻找这颗行星，以及他们的方法如何应用于探测类似情况下的其他隐藏行星。

该论文的主要作者、亚利桑那州斯图尔特天文台的博士后研究员凯文·瓦格纳说：“我们的研究提出了强有力的证据，证明这些旋臂是由巨行星引起的。” “借助新的詹姆斯·韦伯太空望远镜，我们将能够通过寻找更多像 MWC 758c 这样的行星来进一步测试和支持这一想法。”

这颗行星的恒星距离地球约 500 光年，只有几百万年的历史——与我们 46 亿岁的太阳相比，它还只是一个胚胎。因此，该系统仍然有一个原行星盘，因为旋转的碎片需要大约一千万年的时间才能被喷射出系统，被恒星吞噬，或者形成行星、卫星、小行星和彗星。该系统碎片中突出的螺旋图案于 2013 年首次被发现，天文学家很快指出了其与巨行星形成理论模拟的联系。

瓦格纳说：“我认为这个系统可以类比我们的太阳系在其生命周期中还不到 1% 的情况。” “木星作为一颗巨大的行星，也可能在数十亿年前与我们自己的圆盘相互作用并通过引力塑造了我们自己的圆盘，最终导致了地球的形成。”

天文学家已经对使用现有望远镜可见的恒星系统中的大部分原行星盘进行了成像。在大约 30 个已识别的圆盘中，大约三分之一具有旋臂——圆盘的气体和尘埃颗粒内的显着漩涡。

“螺旋臂可以提供有关行星形成过程本身的反馈，”瓦格纳说。“我们对这颗新行星的观察进一步支持了这样的观点，即巨行星在早期形成，从其诞生环境中积累质量，然后通过引力改变其他较小行星形成的后续环境。”

螺旋臂是由于轨道伴星对绕恒星运行的物质的引力而产生的。换句话说，一个巨大伴星的存在，比如一颗巨大的行星，预计会触发圆盘中的螺旋图案。然而，之前探测这颗行星的尝试都以失败告终——直到现在。

瓦格纳说：“为什么我们还没有看到这些行星，这是一个悬而未决的问题。” “大多数行星形成模型表明，巨行星在形成后不久应该非常明亮，而且这样的行星应该已经被发现。”

亚利桑那大学的研究人员最终能够通过使用大型双目望远镜干涉仪(LBTI)来探测 MWC 758c，LBTI 是亚利桑那大学建造的仪器，连接望远镜的两个 8.4 米主镜，与大多数望远镜不同，它可以在中红外范围内的更长波长进行观察用于以更短或更蓝的波长观测系外行星的其他仪器。该论文的合著者、LBTI 首席仪器科学家 Steve Ertel 表示，该仪器有一个摄像头，可以以与 NASA 詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 类似的方式探测红外 光。

埃尔特尔说，尽管这颗系外行星的质量估计至少是木星的两倍，但由于其出人意料的红色——迄今为止发现的“最红”行星，其他望远镜是看不见它的。由于地球大气层和望远镜本身的热辉光，较长、较红的波长比较短的波长更难检测。LBTI 是迄今为止建造的最灵敏的红外望远镜之一，由于其尺寸较大，在探测距离恒星非常近的行星(例如 MWC 758c)方面甚至可以超越 JWST。

埃尔特尔说：“我们提出了两种不同的模型来解释为什么这颗行星在较长波长下更亮。” “这要么是一颗温度比预期低的行星，要么是一颗在形成时仍然很热的行星，而且它恰好被尘埃所笼罩。”

论文合著者、亚利桑那州理论天体物理学家凯特琳·克拉特 (Kaitlin Kratter)表示：“如果这颗行星周围有大量尘埃，这些尘埃就会吸收较短波长或较蓝的光，使这颗行星只有在较长、较红的波长下才会显得明亮。” “在另一种情况下，一颗较冷的行星被较少的尘埃包围，该行星会变得更暗，并发出更多波长更长的光。”

瓦格纳表示，该行星附近的大量尘埃可能表明该行星仍在形成，并且它可能正在生成一个卫星系统，例如木星周围的木星卫星。另一方面，如果行星遵循较冷的模型，这些早期恒星系统中可能会发生一些事情，导致行星的形成比预期的更冷，从而促使行星科学家修改他们的行星形成模型和系外行星探测策略。

瓦格纳说：“无论哪种情况，我们现在知道我们需要开始在这些具有旋臂的系统中寻找更红的原行星。”

亚利桑那大学的天文学家预计，一旦他们用詹姆斯·韦伯太空望远镜观察到这颗巨大的系外行星，他们将能够判断婴儿系统中正在发生两种情况中的哪一种。该团队已获准在 2024 年初使用 JWST 来完成这些观测。

瓦格纳说：“根据 JWST 观测的结果，我们可以开始将这些新发现的知识应用于其他恒星系统，这将使我们能够预测其他隐藏行星可能潜伏的位置，并为我们提供信息。”关于我们应该寻找哪些属性来检测它们的想法。”