韦布望远镜揭示：巨行星必须赶在原行星盘气体消失前长成

气态巨行星赖以成长的“原料”并不是永久存在的。年轻恒星周围通常环绕着由气体和尘埃组成的旋转原行星盘，行星正是在这里孕育。但喷流、恒星风、物质向恒星吸积以及恒星辐射，会逐步将盘中的物质带走。

由亚利桑那大学 Naman Bajaj 领导的研究团队，利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）中红外仪器 MIRI 的存档观测，对72个倾角较大、以 II 类为主的年轻类太阳恒星周围的原行星盘进行了分析。发表于《天文学杂志》的结果显示，原行星盘清除气体的方式，会随着系统演化而改变。12

核心结论：行星核心必须跑赢气体消散

一颗岩石行星核心只有在周围的原行星盘仍保有足够气体时，才能捕获大量由氢、氦组成的外层包层，最终成长为气态巨行星。如果气体盘先被清空，这颗核心可能只能停留在岩石行星阶段，或成为体积更小、缺乏厚重大气的行星。

因此，巨行星形成实际上是一场竞速：行星核心快速吸积气体的速度，必须超过原行星盘消散的速度。12

这对木星这样的行星尤其重要。此次调查无法确定木星究竟在何时形成，但它进一步印证了一个基本条件：木星的核心及其庞大大气，必须在年轻太阳系仍拥有大量气体时完成组装。12

72个系统中，韦布看到了什么？

研究人员通过观测分子和原子的红外辐射，追踪正在离开原行星盘的物质。在72个系统中，有66个检测到延展的分子氢或电离氖辐射。具体而言，团队发现了：

• 46个锥形分子氢风，它们显示出更宽广的盘物质外流；
• 40个高速电离氖喷流，它们对应速度更快、方向更集中的物质流。

所有检测到电离氖喷流的系统，也都显示出更宽广的风。在其中大多数系统里，这种宽广外流由分子氢追踪；其余系统则由原子氧追踪。这种共现关系表明，狭窄而高速的喷流，可能与能够大范围带走行星形成区气体的过程相互联系。2

这72个系统并不是同一个恒星系统从诞生到成熟的连续录像，而是处在不同早期阶段的“快照”。研究人员将这些不同阶段的观测放在一起，借此重建原行星盘随时间清除气体的演化顺序。12

气体清除机制似乎会随年龄改变

调查结果与一种分阶段的图景相符：在行星系统诞生后的前1000万年内，两类主要的气体清除机制可能先后占据主导地位。1

早期：磁驱动喷流和分子风

恒星吸积率较高的系统，更容易出现喷流和分子风。这与早期阶段的情况相符：磁流体动力学机制驱动的喷流和风，主导了原行星盘物质的移除。此时，原行星盘仍在积极向年轻恒星供给物质，但外流也在同时消耗其中的气体。12

对于正在成长的行星核心来说，这正是关键时期。气体储量可能仍然丰富，却也正以较快速度被抽走。核心若不能及时达到足够大的质量，就可能错过快速吸积氢、氦包层的窗口。

后期：喷流减弱，辐射驱动的流失变得重要

随着吸积率下降，喷流逐渐减弱，较热的分子风示踪信号首先变得暗弱，剩余外流则越来越偏向原子态。研究人员认为，在这一后期阶段，恒星辐射——包括光致蒸发——对稀薄原行星盘的清除作用变得更加重要。12

这并不意味着某一种机制会在某个瞬间完全取代另一种机制。更准确地说，随着恒星—原行星盘系统演化，各种清除机制所占的相对比重发生了变化。观测到的转变有助于约束这一变化发生的时间，但现有数据还不足以完整测出每种风带走的气体总量。12

为什么有些系统能形成气态巨行星？

这项研究为不同年轻恒星系统最终形成不同类型的行星架构，提供了一个物理解释。

如果一个行星核心足够早地长到足够大，并启动快速的包层吸积，它就有机会形成气态巨行星。反之，如果原行星盘在核心达到这一门槛前已经损失了大部分气体，那么该系统可能只留下岩石行星，或者形成气体含量较低的小型行星。

影响最终结果的因素可能包括原行星盘质量、核心成长速度、恒星吸积历史、磁驱动外流的强度，以及恒星高能辐射水平。调查支持“由风驱动的原行星盘消散”是造成系统差异的重要因素，但它并不是决定气态巨行星能否形成的唯一原因。2

木星和太阳系意味着什么？

木星很可能是在年轻太阳系仍保有大量气体时，先形成核心、再迅速捕获大部分氢氦包层。韦布望远镜的调查无法给出木星的确切形成时间，但再次强调了一个条件：如果气体盘已经被喷流、恒星风和辐射清空，木星式的巨行星大气就失去了可供吸积的物质来源。12

如今的太阳系已有约46亿年历史，最初的原行星盘早已消失。今天看到的太阳系结构，实际上是早期一场短暂竞争留下的结果：行星在成长，物质不断向年轻太阳吸积，同时气体也通过喷流、恒星风和辐射逃逸到太空中。12

下一步：测量这些风究竟带走了多少气体

确认不同阶段会出现哪些外流，是理解这一过程的重要第一步；但仅凭“是否出现”还无法判断这些风是否真的带走了足以改变行星形成结果的气体总量。

研究团队计划进一步测量每种风的质量损失率，并确定外流从原行星盘的哪些半径区域发出。12

这些数据将把红外辐射信号与一个更具体的问题联系起来：观测到的外流，是否能在足够短的时间内清除原行星盘气体，从而改变形成木星类行星的概率？答案将帮助研究人员判断，这种演化顺序究竟只是一个合理的解释，还是确实能够定量决定行星系统最终架构的关键过程。