韋伯望遠鏡揭示：行星形成要趕在原行星盤氣體消散之前

對一顆正在成長的行星核心來說，形成氣體巨行星不只是「有冇氣體」咁簡單，還要睇氣體幾時會被吹走。

年輕恆星周圍通常有一個旋轉中的原行星盤，內裏盛載着日後形成行星所需的氣體和塵埃。不過，呢個物料庫並非永久存在：噴流、恆星風、物質吸積到恆星，以及恆星輻射，都會逐步將原行星盤的物質帶走。

由亞利桑那大學 Naman Bajaj 領導的團隊，利用詹姆斯・韋伯太空望遠鏡（JWST）中紅外線儀器 MIRI 的檔案觀測資料，分析72個傾斜、主要屬於 Class II 階段、而且圍繞類似太陽恆星運行的原行星盤。研究結果刊於《The Astronomical Journal》，顯示原行星盤流失氣體的方式，會隨系統演化而改變。12

核心發現：行星核心要跑贏氣體消散

一顆岩石行星核心只有在周圍原行星盤仍然有大量氣體時，才可以捕捉由氫和氦組成的厚重大氣層，最終成為氣體巨行星。假如原行星盤先被清空，核心可能只會停留在岩石行星階段，或者成為較細小、缺乏氣體的行星。

換句話說，氣體巨行星的形成是一場競賽：一邊是行星核心加速吸積大氣層，另一邊是噴流和星風逐步耗盡氣體資源。12

呢個結果對理解木星尤其重要。研究未能確定木星具體係幾時形成，但就再次確認一個基本條件：木星的核心和厚重大氣層，必須在年輕太陽系仍然保留大量氣體的時期內完成組裝。12

韋伯在72個系統睇到甚麼？

研究人員以分子和原子的紅外線發光，追蹤正離開原行星盤的物質。在72個系統之中，有66個探測到延伸至盤外的分子氫或電離氖發光。團隊進一步辨認出：

• 46股錐形分子氫風，反映較廣闊的盤物質外流；
• 40股高速電離氖噴流，反映速度更快、方向更集中的物質流。

每一個出現電離氖噴流的系統，同時都有較廣闊的風外流證據。大部分個案以分子氫追蹤外流，其餘則以原子氧作為示蹤物。呢種同時出現的關係，將狹窄而高速的噴流，連繫到一個可以更廣泛移走行星形成區氣體的過程。2

要留意的是，研究並非連續觀察同一個系統由誕生走到成熟。相反，72個原行星盤分別處於早期演化的不同階段。研究人員將它們比較，就好似將一格格不同時間的畫面串連起來，重建原行星盤清除氣體的演化順序。12

原行星盤清除氣體，似乎分兩個階段

研究結果與一個大致分為兩段的清除過程吻合：兩種主要機制會在行星系統最初數百萬年內先後扮演較重要角色。1

早期：磁力噴流和分子風主導

恆星吸積率較高的系統，較常見噴流和分子風。呢個關聯符合早期階段的情況：由磁場驅動的磁流體動力學噴流和風，主力將原行星盤物質帶走。當原行星盤仍然積極向年輕恆星供應物質時，外流已經開始消耗盤內氣體。12

對正在成長的行星核心而言，呢段時間正是關鍵窗口。盤內氣體可能仍然充足，但同一個活躍環境亦正不斷將氣體抽走。

後期：噴流轉弱，輻射驅動流失變重要

隨着吸積率下降，噴流會減弱，較熱的分子風示蹤物亦會先變得不明顯。剩餘外流則愈來愈以原子形式出現。研究人員認為，到了呢個較後階段，恆星輻射——包括光致蒸發——在清除較稀薄的原行星盤時變得更加重要。12

呢個轉變並非代表一種機制突然取代另一種機制，而是各種清除機制的重要性，會隨恆星與原行星盤一同演化而改變。觀測到的轉折有助研究人員限制轉變大約在甚麼時候發生，但目前的探測統計仍未能完整計算每股風實際帶走的總質量。12

點解有些系統形成氣體巨行星，有些卻形成不到？

研究結果為不同年輕恆星系統最後形成截然不同的行星架構，提供一個物理上的解釋。

如果某個行星核心夠早成長到足夠大，並開始快速吸積大氣層，系統就可能形成氣體巨行星；另一個系統則可能在核心達到呢個門檻之前，已經流失大量盤內氣體。

影響結果的因素包括原行星盤質量、核心成長速度、恆星吸積歷史、磁力外流強度，以及恆星高能輻射水平。呢項研究支持由風驅動的原行星盤消散，是造成系統差異的重要因素之一，但並非唯一決定氣體巨行星能否形成的原因。2

呢個發現亦令太陽系的架構有另一重意義。太陽系現時約46億年歷史，最初用來形成行星的原行星盤早已消散。今日仍然存在的行星，反映了早期一場短暫而關鍵的競賽：行星不斷成長、物質向年輕太陽吸積，同時氣體又經由噴流、星風和輻射逃逸到太空。12

下一步：究竟每股風帶走幾多氣體？

知道不同階段會出現哪些外流，只是第一步。單靠外流出現的比例，仍然無法證明它們是否帶走了足夠氣體，足以左右行星形成。團隊下一步計劃量度每股風的質量流失率，並確認外流從原行星盤的哪個半徑範圍發出。12

呢些數據可以將紅外線訊號連繫到一個更具體的問題：觀測到的外流，是否快到足以改變形成類似木星氣體巨行星的機會？答案將有助研究人員判斷，現時看到的究竟只是一個有說服力的演化序列，還是已經可以直接量度原行星盤消散如何塑造行星系統最終架構。