JWST证实地球水来自外太阳系

JWST(詹姆斯·韦伯太空望远镜)在行星科学领域有了重大发现。它的观测结果证实了一个由来已久的行星形成理论。早先，年轻太阳系中厚厚的尘埃层使得寻找证据变得困难。

现在，JWST穿透了尘埃，我们得到了真相：来自外太阳系的冰雪覆盖的鹅卵石为靠近恒星的年轻行星提供了水。

关于地球水的讨论已经持续了很多年。目前还不清楚地球是如何获得大量水源的。

大约 45 亿年前，地球在太阳系内部区域诞生。这发生在一个被称为原行星盘的旋转气体和尘埃盘内。这些盘围绕着银河系中新形成的恒星而形成。目前流行的理论认为，地球上的水来自原行星盘的另一个地方，而不是地球附近的太阳系内部。主要观点认为，地球的水是在冷却和发育之后从彗星和小行星中获得的。

年轻恒星周围的原行星盘还不能完全被理解，但可以在银河系其他恒星周围以及新形成的行星留下的空隙中观察到。要看到这些星盘的内部是很困难的，这也是 JWST 望远镜诞生的原因，它可以比其他任何望远镜更精确地探索这些星盘。

"这一发现为利用韦伯望远镜探索岩质行星的发展提供了令人兴奋的可能性。
来自德克萨斯州立大学的 Andrea Banzatti 说道。

由于太阳系和行星形成过程中存在大量未知因素，原行星盘是一个广泛研究的课题。地球上水的起源也是一个备受讨论的主题，与这项研究息息相关。我们星球上的水源自太阳系更远的天体，这一理论经受住了时间的考验。根据这一理论，太阳系的内部区域过于温暖，无法留存水。然而，冰冻的水被霜冻线以外的彗星和小行星吸收了。

太阳系早期是一个不羁的地方，地球不断收到来自天外的小行星、彗星和冰质类星体的雨水。随着时间的流逝，水不断积聚，形成了海洋。太阳系早期是一个不规则的地方，地球不断地受到来自天外的小行星、彗星和冰冷的行星的侵袭。因此，我们的星球现在拥有丰富的水资源。

但这一理论一直存在一些棘手的问题。某些同位素比率表明，地球在其存在的早期阶段就有大量的水。对月球同位素比率的研究也表明，地球在太阳系形成几百万年后的巨型撞击事件之前就已经获得了大量的水。

但现在，JWST 也加入了讨论，为一个关于行星形成的由来已久的理论提供了证据支持。该理论认为，地球上的水在其形成过程中就已经存在，是通过从太阳系外迁移而来的冰覆盖卵石到达地球的。当这些鹅卵石到达较温暖的太阳系内部时，水升华成了蒸汽。水蒸气和鹅卵石随后通过吸积作用积聚成年轻的行星。这就是通常所说的冰卵石漂移理论。

发表在《天体物理学杂志通讯》上的新研究指出，JWST 在小磁盘的雪线附近观测到了额外的冷水，这与卵石漂移理论相吻合。主要作者Andrea Banzatti是德克萨斯州圣马科斯市德克萨斯州立大学物理学助理教授。

"韦伯发现了内盘水蒸气与外盘流出的冰卵石之间的联系，"Banzatti 解释说。"这一发现为利用韦伯望远镜研究岩石行星的产生提供了令人激动的可能性！"

Banzatti和他的团队利用JWST的MIRI(中红外仪器)检查了四颗年轻的类太阳恒星，它们的年龄在200万到300万年之间，周围有原系行星盘。其中两颗恒星的圆盘较小，只有 10-20 AU 大小，而其余两颗恒星的圆盘则有一百到一百五十 AU 大小，并带有大量空隙区域。 鹅卵石漂移理论认为，小圆盘能更有效地将冰冻的岩石带向太阳系内部，其距离相当于海王星在太阳系中的轨道。另一方面，该理论认为较大的磁盘在这方面的效率较低。

JWST 的 MRS 与 MIRI 合作，是区分冷水和温水的强大工具。它在简化原行星盘的复杂构造方面发挥着至关重要的作用。MRS数据表明，紧凑盘中的冷水比扩展盘中的更多。

文章展示了来自 JWST-MIRI 的新光谱，展示了四个星盘，其中两个具有多个径向间隙，另外两个较大而紧凑。选择这些数据的目的是为了评估鹅卵石漂移管理雪线中水蒸气的理论。文章指出，这次观测为通过 JWST 研究内盘中行星形成所涉及的化学过程提供了各种令人兴奋的机会。

鹅卵石漂移理论认为，石头在不同大小的磁盘中表现不同。有些星盘比其他星盘大得多，因此会产生较强的流体动力，有效地将卵石固定在外环上，阻止其向内漂移。

然而，紧凑的圆环缺乏这些流体动力，使得冰卵石有更大的自由向内漂移，成为太阳系内部区域通常存在的岩石行星的一部分。迄今为止，收集观测数据来验证这一理论对研究人员来说一直是个挑战。

研究人员利用 ALMA 拍摄了许多环绕年轻恒星运行的原行星盘图像，这些图像上的缝隙显示了行星正在形成的位置。根据这些图像和其他数据，科学家们建立了模型，揭示了原行星盘中是否存在间隙会影响卵石漂移到太阳系内部。

然而，早期的观测并没有足够的细节来观察这些盘并评估这些理论。多亏了詹姆斯-韦伯太空望远镜和近红外成像仪，科学家们现在已经在大小盘中看到了预期的鹅卵石运动。

鹅卵石漂移是这样发生的。在像上图左侧这样的小圆盘中，覆盖着冰的小石头很容易漂向恒星附近较温暖的地方。一旦它们穿过霜冻线，它们的冰就会变成水蒸气。这就给离恒星较近的年轻岩石行星带来了大量的水。在插图的右侧，有一个延伸的圆盘，圆盘上有环和空隙，这可能是仍在形成中的较大行星造成的。星环的压力比空隙大。当冰冻的鹅卵石向中心移动时，更多的鹅卵石会撞到环上并被困在那里。因此，通过雪边界将水带到内部区域的冰卵石就会减少。

班扎蒂和他的同事最初很难理解韦伯数据。Banzatti回忆说："我们被初步结果困惑了两个月，这些结果表明，小圆盘有冷水，而大圆盘总体上有热水。这让我们很困惑，因为我们挑选的是一组温度非常接近的恒星。

当科学家们合并了小环和大环的信息后，解决方案变得清晰起来。它揭示出，小圆盘在其雪域边界之前有额外的冷水，比海王星的路径近十倍。

"班扎蒂说："我们现在可以清楚地看到，有过量的冷水。"这是非同寻常的，完全是因为韦伯成像能力的提高！"

正如科学家们所观察到的那样，地球很有可能以与其他太阳系相同的方式获得水。这一现象也显示了太阳系内各区域之间的相互作用，外部区域与内部区域并不是脱节的。

"来自纽约州波基普西瓦萨学院的科莱特-萨利克(Colette Salyk)是研究小组的成员之一。"但现在我们有证据证明，这些区域可以相互作用并相互影响，我们的太阳系很可能就是这种情况。

这一发现意义重大。" 科学家们自然是小心谨慎的，因此他们并没有排除地球水起源的其他解释。地球可能通过各种途径获得水，撞击地球的冰冻天体也有可能为我们的供水做出了贡献。

尽管如此，这项研究还是提出了一些有趣的新问题。进一步的调查可以从研究本研究中提到的磁盘以外的磁盘开始。

"这项研究发现了一系列令人兴奋的机会，"文章作者写道。"这项研究获得了 GO-1640 计划的前四次光谱，重点研究了水发射和卵石漂移。然而，为了获得更可靠的结论，在 MIRI 的第一周期和即将到来的周期中，将收集更多的圆盘光谱。

这一更大的样本量对于确定卵石漂移的更多细节至关重要，研究人员可以通过提出适当的问题来更好地理解卵石漂移。冷水盈余发生的频率如何？ 它是否随圆盘的大小而变化？磁盘中尘埃环的大小和位置对一切有何影响？恒星的大小和亮度如何影响一切？这些元素如何共同影响内太阳系的分子化学？

请继续关注。JWST 尚未完成。

本文译自 Universe Today，由 BALI 编辑发布。