研究人員在圍繞類太陽恒星 HD 181327 運行的塵埃碎片盤中發(fā)現(xiàn)了水冰。我們早就知道，冰，也就是凍結(jié)的水在太陽系中很常見。它存在于木星、土星、天王星和海王星的衛(wèi)星上，也曾在彗星、矮行星以及漂流于太陽系邊緣柯伊伯帶的巖石天體上發(fā)現(xiàn)。但多年來，科學(xué)家們只能猜測其他恒星周圍是否存在水冰。

天文學(xué)家利用詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡證實，遙遠(yuǎn)行星系統(tǒng)中存在結(jié)晶水冰，解開了數(shù)十年來的一個謎團。圖片來源：NASA

如今，多虧了詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，疑問終于得以消除。韋伯望遠(yuǎn)鏡利用其超靈敏的近紅外光譜儀（NIRSpec），清晰地探測到圍繞年輕恒星HD 181327的塵埃碎片環(huán)中存在水冰。

這些冰凍的水在巨行星的形成過程中扮演著重要的角色，甚至可能像地球一樣，被冰彗星帶到巖石行星上。有了這一發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家們現(xiàn)在可以開始探索這些冰凍的構(gòu)造塊如何塑造銀河系中無數(shù)其他行星系統(tǒng)的演化。

研究人員首次利用美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡證實，在圍繞類太陽恒星運行的塵埃碎片盤中存在結(jié)晶水冰。韋伯望遠(yuǎn)鏡探測到的所有冰凍水都與整個塵埃盤中的細(xì)小塵埃顆粒配對。觀測到的大部分水冰位于溫度最低、距離恒星最遠(yuǎn)的地方。研究人員觀察的距離恒星越近，發(fā)現(xiàn)的水冰就越少。圖片來源：美國宇航局、歐空局、加拿大太空局、太空望遠(yuǎn)鏡研究所、拉爾夫·克勞福德（太空望遠(yuǎn)鏡研究所）

NASA韋伯太空望遠(yuǎn)鏡在年輕恒星系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)冰凍水

天文學(xué)家長期以來一直懷疑其他恒星系統(tǒng)中存在冰凍水。線索來自于探測到水蒸氣（H2O的氣態(tài)形式）以及我們太陽系中豐富的冰。但在此之前，還沒有直接證據(jù)證明固態(tài)水圍繞著遙遠(yuǎn)的恒星運行。

得益于美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，情況發(fā)生了改變?？茖W(xué)家利用其強大的光譜儀分析了155光年外一顆恒星周圍塵埃碎片環(huán)發(fā)出的光線，證實了結(jié)晶水冰的存在——這種固態(tài)水具有高度有序的結(jié)構(gòu)，類似于土星環(huán)或冰冷的柯伊伯帶中發(fā)現(xiàn)的那種。

這顆名為HD 181327的恒星，早在2008年就曾被美國宇航局早期的斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡觀測到水冰的跡象。但韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的最新觀測結(jié)果消除了所有疑慮。

宇宙中的晶體

“韋伯太空望遠(yuǎn)鏡明確地探測到的不僅僅是水冰，還有結(jié)晶水冰，這種水冰在土星環(huán)和太陽系柯伊伯帶的冰體等地方也有發(fā)現(xiàn)，”這篇新論文的主要作者、馬里蘭州巴爾的摩市約翰霍普金斯大學(xué)的助理研究員陳謝說。

韋伯發(fā)現(xiàn)的冰粒子并非單獨漂浮——它們與細(xì)小的塵埃混合，形成了科學(xué)家所說的“臟雪球”。這些微小的冰凍碎片散布在整個碎片盤中，有助于我們了解行星，以及可能維持生命的星球，是如何在宇宙的其他地方開始形成的。

該研究結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志上。

期待已久的發(fā)現(xiàn)

幾十年來，天文學(xué)家們一直在等待這些確鑿的數(shù)據(jù)。“25年前，當(dāng)我還是一名研究生時，我的導(dǎo)師告訴我，碎片盤中應(yīng)該存在冰，但在韋伯望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)之前，我們沒有足夠的儀器進(jìn)行這些觀測，”論文合著者、巴爾的摩太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的天文學(xué)家克里斯蒂娜·陳說道。“最引人注目的是，這些數(shù)據(jù)與該望遠(yuǎn)鏡最近對我們太陽系內(nèi)柯伊伯帶天體的其他觀測結(jié)果相似。”

水冰是年輕恒星周圍行星盤的重要組成部分——它對巨行星的形成有著重要的影響，也可能由彗星和小行星等小天體傳遞給已完全形成的巖石行星。如今，研究人員利用韋伯太空望遠(yuǎn)鏡探測到了水冰，這為所有研究人員打開了一扇大門，讓他們能夠研究這些過程如何在其他行星系統(tǒng)中以新的方式發(fā)揮作用。

巖石、塵土、冰塊四處奔涌

這顆編號為HD 181327的恒星比我們的太陽年輕得多。據(jù)估計，它的年齡為2300萬年，而太陽的年齡則為46億年。這顆恒星的質(zhì)量略大于太陽，溫度也更高，因此在其周圍形成了一個略大一些的系統(tǒng)。

韋伯的觀測證實了這顆恒星與其碎片盤之間存在著巨大的空隙——一片廣闊的無塵區(qū)域。更遠(yuǎn)的地方，它的碎片盤類似于我們太陽系的柯伊伯帶，那里有矮行星、彗星以及其他冰塊和巖石（有時會相互碰撞）。數(shù)十億年前，我們的柯伊伯帶很可能與這顆恒星的碎片盤相似。

“HD 181327是一個非?；钴S的系統(tǒng)，”陳說?！八乃槠P中經(jīng)常發(fā)生碰撞。當(dāng)這些冰體碰撞時，它們會釋放出微小的塵埃水冰顆粒，這些顆粒的大小正好適合韋伯望遠(yuǎn)鏡探測。”

幾乎無處不在的冰凍水

水冰在整個系統(tǒng)中分布并不均勻。大部分水冰位于溫度最低、距離恒星最遠(yuǎn)的地方。“碎片盤的外部區(qū)域由超過20%的水冰組成，”謝志雄說。

研究人員觀察得越近，發(fā)現(xiàn)的水冰就越少。在碎片盤的中部，韋伯望遠(yuǎn)鏡探測到了大約8%的水冰。在這里，冰凍水粒子的產(chǎn)生速度可能略快于它們的毀滅速度。在最靠近恒星的碎片盤區(qū)域，韋伯望遠(yuǎn)鏡幾乎沒有探測到任何水冰。很可能是恒星的紫外線蒸發(fā)了最近的水冰顆粒。也有可能，被稱為行星的巖石在其內(nèi)部“鎖住了”冰凍水，而韋伯望遠(yuǎn)鏡無法探測到。

從塵埃到行星

這個團隊和更多的研究人員將繼續(xù)在銀河系的碎片盤和正在形成的行星系統(tǒng)中尋找并研究水冰。“水冰的存在有助于行星的形成，”謝志雄說?！氨镔|(zhì)最終也可能被‘運送’到類地行星，而這些行星可能在這樣的系統(tǒng)中經(jīng)過幾億年的時間形成。”

研究人員利用韋伯的近紅外光譜儀 (NIRSpec) 觀察了 HD 181327，該光譜儀對只能從太空中探測到的極其微弱的塵埃顆粒超級敏感。

編譯自/scitechdaily