韦伯望远镜发现年轻恒星周围有大量碳分子

一支国际天文学家团队(包括来自亚利桑那大学的科学家)利用美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜研究了一颗年轻、质量极低的恒星周围的气体和尘埃盘。研究结果显示，该盘中含有迄今为止最多的含碳分子。这一发现对可能围绕这颗恒星形成的任何行星的潜在成分具有重要意义。

岩石行星比气态巨行星更有可能围绕低质量恒星形成，这使它们成为我们银河系中最常见的恒星周围最常见的行星。人们对此类行星的化学成分知之甚少，它们可能与地球相似或截然不同。通过研究此类行星形成的圆盘，天文学家希望更好地了解行星的形成过程以及由此产生的行星的成分。

科学家们的研究成果发表在今天的《科学》杂志上，该研究基于2009年由亚利桑那大学月球和行星科学教授IlariaPascucci领导的一项研究，她也是这项新研究的合著者。在他们之前的工作中，Pascucci的团队使用斯皮策太空望远镜发现，围绕极低质量恒星的盘面气体成分与围绕太阳型恒星或质量较大的恒星的盘面气体成分不同。斯皮策探测到了乙炔和氰化氢，它们是碳原子数较少的简单分子。

“詹姆斯·韦伯光谱非常棒。它的分辨率和灵敏度比斯皮策更高，能够探测到许多含碳分子，甚至包括苯等复杂分子，”帕斯库奇说。

帕斯库奇表示，这项研究的结果表明，气体成分中富含碳氢化合物，拓展了科学家对极低质量恒星周围盘状结构化学复杂性的认识。这些系外行星可能形成富含碳氢化合物的早期大气层，与地球早期形成的大气层截然不同。

围绕极低质量恒星的行星形成盘很难研究，因为它们比围绕高质量恒星的盘更小、更暗。一个名为MIRI中红外盘巡天(MINDS)的项目旨在利用韦伯的独特能力在盘的化学成分和系外行星的特性之间架起一座桥梁。

“韦伯望远镜的灵敏度和光谱分辨率比之前的红外太空望远镜更高，”这项研究的主要作者、荷兰格罗宁根大学的博士生阿迪亚·阿拉巴维(AdityaArabhavi)表示。“从地球上不可能进行这些观测，因为圆盘的辐射被我们的大气层阻挡了。”

在这项新研究中，研究人员探索了质量极低的恒星ISO-ChaI-147周围的区域，这颗恒星已有100万至200万年历史，重量仅为太阳的0.11倍。韦伯中红外仪器(MIRI)显示的光谱显示了迄今为止在原行星盘中发现的最丰富的碳氢化合物化学成分——总共有13种不同的含碳分子。该团队的发现包括首次在太阳系外发现乙烷，以及乙烯、炔丙基和甲基自由基CH3。

“这些分子已经在太阳系中被发现，比如67P/Churyumov–Gerasimenko彗星和C/2014Q2(Lovejoy)，”Arabhavi说道。“韦伯让我们了解到这些碳氢化合物分子不仅种类繁多，而且数量众多。我们现在可以看到这些分子在行星摇篮中的舞蹈，这真是太神奇了。这是一个与我们通常认为的截然不同的行星形成环境。”

研究小组表示，这一结果对内盘的化学性质以及可能在那里形成的行星具有重要意义。由于韦伯发现内盘中的气体富含碳，因此行星形成的固体材料中可能几乎没有碳。因此，可能在那里形成的行星最终可能像地球一样缺乏碳。

“这与我们在太阳型恒星周围盘面看到的成分截然不同，在太阳型恒星周围盘面中，水和二氧化碳等含氧分子占主导地位，”团队成员、格罗宁根大学教授英加·坎普(IngaKamp)表示。“这个物体表明，它们是一类独特的物体。”

研究团队成员、法国国家科学研究中心研究主任阿涅斯·佩兰(AgnésPerrin)表示：“我们能够在距离我们600多光年的物体中探测到并量化我们在地球上熟知的分子(例如苯)的数量，这真是令人难以置信。”

接下来，科学团队打算将他们的研究扩展到围绕极低质量恒星的更大样本盘，以加深他们对这种富含碳的类地行星形成区域的普遍性或奇特性的了解。

“研究范围的扩大也将使我们更好地了解这些分子是如何形成的，”团队成员、MINDS计划首席研究员、德国马克斯普朗克天文研究所行星与恒星形成部门主任托马斯·亨宁(ThomasHenning)表示。“韦伯数据中的几个特征仍未确定，因此需要更多的光谱分析来全面解释我们的观测结果。”