韋伯太空望遠鏡的新數據挑戰了我們對早期宇宙中行星形成的理解，證實了20多年前哈伯一項具爭議性的發現。2003年，哈伯發現在一顆非常古老的恆星周圍有一顆巨大的行星，這顆恆星幾乎和宇宙一樣古老。這表示當宇宙還非常年輕的時候，就已經有行星形成了，這些行星在年輕的盤狀結構中有足夠的時間形成，並且變得比木星還要大。然而，那時的恆星只含有少量重元素，而重元素是行星的構成的材料，那麼，這樣的行星是如何形成的呢？
為了解答這個問題，研究人員利用韋伯研究了一個鄰近星系中的恆星，這個星系像早期的宇宙一樣，缺乏大量重元素。他們發現那裡的一些恆星不僅擁有行星形成盤，而且這些圓盤比我們銀河系中年輕恆星周圍的圓盤壽命更長。研究人員表示透過韋伯，我們對哈伯望遠鏡所看到的情況有了真正有力的證實，我們必須重新思考如何模擬年輕宇宙中的行星形成和早期演化。
在早期的宇宙中，恆星主要由氫和氦形成，只有很少的重元素如碳和鐵，這些重元素來自第一代超新星爆炸。當前的理論模型預測，由於重元素很少，恆星周圍的圓盤壽命很短，以至於行星無法變大，但哈伯確實看到了其中一顆行星，那麼有可能原本的理論模型並不正確，其實圓盤可以存在更長時間。為了測試這個想法，科學家們將韋伯對準了小麥哲倫星系，這是一個鄰近銀河系的小星系。他們特別研究了其中的巨大恆星形成區NGC 346，這個區域也缺乏重元素，因此這個星團是一個研究早期遙遠宇宙中具有類似條件恆星環境的就近選擇。從哈柏在2000年代中期對NGC 346的觀察，發現許多2000萬到3000萬年歷史的恆星周圍似乎仍然有行星形成盤，但這有違傳統的觀點，即以往認為這些圓盤在200、300萬年後就會消散。
由韋伯所拍攝的NGC 346，是小麥哲倫星系中的一個巨大星團。影像上的黃色圓圈表示此次研究中所調查的10顆恆星位置。圖片來源：NASA, ESA, CSA, STScI, O. C. Jones (UK ATC), G. De Marchi (ESTEC), M. Meixner (USRA)
之前因無法獲得這些恆星的光譜，因此我們無法確定是否真的目睹了恆星的成長和圓盤的存在，或者只是一些假象效應。現在，得益於韋伯的靈敏度和解析度，科學家首次獲得了正在形成的類太陽恆星及其在附近星系環境的光譜。我們看到這些恆星確實被圓盤包圍，即使在2000萬或3000萬年相對古老年齡，它們仍在吞噬物質的過程中。這表示與我們銀河系附近的恆星形成區域相比，行星在這些恆星周圍有更多的時間形成和生長。這項發現反駁了先前的理論預測，即當氣體中的重元素很少時，恆星會很快吹走圓盤。在這種情況下，圓盤的壽命會非常短，甚至不到100萬年。但如果盤沒有足夠長時間存在於恆星周圍，塵埃顆粒就無法粘在一起，成為行星的核心，那麼行星又如何形成呢？研究人員解釋可能存在兩種不同的機制，甚至是兩種機制的結合。
NGC 346光譜顯示圓盤的證據。圖片來源：NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)
首先，為了能夠吹走圓盤，恆星的光會對圓盤中的氣體施壓。當氣體含有比氫和氦更重的元素時，這個過程會更有效率。NGC 346這個巨大星團中的重元素含量只有我們太陽化學成分的10%左右，因此，也許這個星團中的恆星需要更長的時間來吹散它的盤。第二種可能性是，當重元素很少時，類太陽恆星必定是由較大的氣體雲形成的。更大的氣體雲會產生更大的圓盤，當圓盤中的質量較大時，將圓盤吹走便需要更長的時間。研究人員表示恆星周圍的物質越多，吸積作用持續的時間就越長。這些圓盤可能需要十倍的時間才能消失，這對如何形成行星，以及在這些不同環境中可以擁有的行星系統類型將產生影響。相關研究成果發表於《天體物理學期刊》（The Astrophysical Journal）期刊上。
資料來源：ESA
本文轉載自臺北市立天文科學教育館網站。
