韋布望遠(yuǎn)鏡在年輕恒星系統(tǒng)中確認(rèn)了結(jié)晶水冰的存在

其他恒星系統(tǒng)中是否也散布著凍結(jié)的水？天文學(xué)家早就預(yù)測(cè)答案是肯定的，部分依據(jù)是此前探測(cè)到的水蒸氣（即水的氣態(tài)形式），以及水在我們太陽(yáng)系中的廣泛存在。

如今，這一猜測(cè)有了確鑿證據(jù)：研究人員利用NASA詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡獲取的光譜數(shù)據(jù)，首次在距離地球155光年的一顆類(lèi)太陽(yáng)恒星周?chē)膲m埃碎片盤(pán)中確認(rèn)了結(jié)晶水冰的存在。（“水冰”這一術(shù)語(yǔ)明確指出其成分，因?yàn)橛钪嬷羞€存在許多其他類(lèi)型的冰，例如二氧化碳冰，也被稱(chēng)為“干冰”。）早在2008年，NASA退役的斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡就曾暗示該系統(tǒng)中可能存在凍結(jié)的水。

“韋布不僅明確探測(cè)到了水冰，而且是結(jié)晶水冰，這類(lèi)冰在土星的環(huán)和我們太陽(yáng)系的柯伊伯帶冰體中也有發(fā)現(xiàn)。”這項(xiàng)新研究的第一作者、約翰斯·霍普金斯大學(xué)的助理研究科學(xué)家謝辰（Chen Xie）說(shuō)。

韋布探測(cè)到的所有水冰都與碎片盤(pán)中彌散的細(xì)小塵埃顆粒綁定在一起，就像極小的“臟雪球”。該研究成果已于周三發(fā)表在《自然》期刊上。

天文學(xué)家們已經(jīng)等待這種確鑿的數(shù)據(jù)幾十年了。“25年前我還是研究生的時(shí)候，我的導(dǎo)師就說(shuō)碎片盤(pán)中應(yīng)該存在冰，但在韋布之前，我們沒(méi)有靈敏度足夠的儀器去觀(guān)測(cè)這些東西。”論文合著者、位于巴爾的摩的太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所天文學(xué)家克里斯汀·陳（Christine Chen）表示。“最令人震撼的是，這些數(shù)據(jù)和韋布近期對(duì)太陽(yáng)系柯伊伯帶天體的觀(guān)測(cè)結(jié)果非常相似。”

水冰是年輕恒星周?chē)P(pán)狀結(jié)構(gòu)中的重要組成成分——它深刻影響著巨型行星的形成過(guò)程，也可能通過(guò)彗星和小行星等小型天體“輸送”到已經(jīng)成形的類(lèi)地行星上。如今，研究人員通過(guò)韋布確認(rèn)了水冰的存在，這一發(fā)現(xiàn)為研究這些過(guò)程在其他行星系統(tǒng)中如何展開(kāi)打開(kāi)了新大門(mén)。

圖片說(shuō)明：恒星HD 181327周?chē)乃槠P(pán)（藝術(shù)家概念圖）

這張插畫(huà)展示了類(lèi)太陽(yáng)恒星HD 181327及其周?chē)乃槠P(pán)。恒星位于右上方，白色明亮，周?chē)悄：乃{(lán)色暈圈。它被一個(gè)巨大的橢圓形碎片盤(pán)環(huán)繞，該盤(pán)在右側(cè)被截?cái)啵谛求w與盤(pán)之間有一個(gè)巨大的空腔。碎片盤(pán)以淺灰色呈現(xiàn)，上方和左側(cè)是一些較細(xì)、分散的顆粒，底部則顯得更朦朧、更像煙霧。背景是黑色太空。圖左下角標(biāo)注“藝術(shù)家概念圖”。

韋布望遠(yuǎn)鏡首次在圍繞類(lèi)太陽(yáng)恒星的塵埃碎片盤(pán)中確認(rèn)了結(jié)晶水冰的存在。這些冰全部與細(xì)小塵粒綁定在一起。大部分水冰出現(xiàn)在遠(yuǎn)離恒星、溫度最低的區(qū)域，越靠近恒星的地方，水冰越少。

圖片來(lái)源：NASA、ESA、CSA、Ralf Crawford（STScI）

巖石、塵埃與冰的高速碰撞

這顆恒星HD 181327遠(yuǎn)比我們的太陽(yáng)年輕，年齡估計(jì)為2300萬(wàn)年，而太陽(yáng)已有46億年歷史。它的質(zhì)量略高于太陽(yáng)，溫度也更高，因此形成了一個(gè)略大的行星系統(tǒng)。

韋布的觀(guān)測(cè)結(jié)果確認(rèn)了恒星與其碎片盤(pán)之間存在一個(gè)顯著的空隙——一個(gè)幾乎無(wú)塵的廣闊區(qū)域。在外圍，該碎片盤(pán)與我們太陽(yáng)系的柯伊伯帶相似——那里聚集著矮行星、彗星和其他冰與巖石混合的天體，這些天體有時(shí)還會(huì)彼此碰撞。數(shù)十億年前，我們的柯伊伯帶很可能也與HD 181327的碎片盤(pán)類(lèi)似。

“HD 181327是一個(gè)非常活躍的系統(tǒng)。”謝辰表示，“其碎片盤(pán)中有持續(xù)不斷的碰撞。當(dāng)這些冰體相撞時(shí)，會(huì)釋放出微小的塵埃狀水冰顆粒，正好適合被韋布探測(cè)到。”

凍結(jié)的水——幾乎無(wú)處不在

水冰在這個(gè)系統(tǒng)中并不是均勻分布的。絕大多數(shù)水冰集中在離恒星最遠(yuǎn)、最寒冷的區(qū)域。“碎片盤(pán)的外部區(qū)域中，水冰含量超過(guò)20%。”謝辰說(shuō)。

越靠近恒星，檢測(cè)到的水冰越少。在碎片盤(pán)的中間區(qū)域，韋布探測(cè)到了約8%的水冰，這里冰的生成速率可能略高于其被破壞的速度。而在最靠近恒星的區(qū)域，韋布幾乎未探測(cè)到水冰。可能是恒星的紫外光將水冰蒸發(fā)了。也可能是被稱(chēng)為“行星胚”（planetesimals）的巖石天體將水冰“封存”在其內(nèi)部，而韋布無(wú)法探測(cè)到它們。

這一研究團(tuán)隊(duì)以及其他許多天文學(xué)家將繼續(xù)尋找和研究銀河系中更多碎片盤(pán)及行星形成系統(tǒng)中的水冰。“水冰的存在有助于行星的形成，”謝辰指出，“而這些冰質(zhì)材料也可能在幾億年內(nèi)被‘運(yùn)送’到最終形成的類(lèi)地行星上。”

這項(xiàng)研究使用的是韋布望遠(yuǎn)鏡的NIRSpec（近紅外光譜儀），它對(duì)極其微弱的塵埃顆粒有極高的靈敏度，只有在太空中才能進(jìn)行這樣的觀(guān)測(cè)。

參考

https://science.nasa.gov/missions/webb/another-first-nasa-webb-identifies-frozen-water-in-young-star-system/