韋伯望遠鏡追蹤72個年輕恆星系統：行星誕生是一場與時間的競賽

詹姆斯・韋伯太空望遠鏡（JWST）的一項大規模觀測，讓天文學家得以比較72個年輕、類似太陽的恆星系統，觀察行星形成所需的氣體如何逐步流失。結果指向一個先後接替的過程：早期由強勁、磁場驅動的分子風與原子外流主導；隨著恆星吸積減弱，這些外流變得較弱，最後可能由高能輻射驅動的光蒸發風清除剩餘氣體。23

這種演化也意味著，氣體巨行星必須在原行星盤仍然充滿氣體時迅速形成。換句話說，行星形成存在一個短暫的「星盤消散時鐘」。

72個星盤觀測到什麼？

研究團隊分析JWST中紅外儀器（MIRI）的資料，樣本主要是處於Class II階段、且從較傾斜角度觀測到的星盤。研究人員利用兩種重要的氣體示蹤物，追蹤不同類型的風與噴流：

• 分子氫（H₂）：主要顯示較寬廣的分子風。
• 電離氖（[Ne II]）：早期常用來辨識高速噴流，後期則可追蹤較慢的原子風。3

在72個系統中，有66個偵測到H₂與／或[Ne II]的空間延伸發射。研究人員進一步在46個星盤辨識出錐形H₂風，並在40個星盤發現垂直於星盤、高速且準直的[Ne II]噴流。3

較年輕、仍有大量物質落向中心恆星的系統，通常同時呈現寬廣的分子氫風與快速的氖噴流。這種組合符合磁流體力學外流的特徵：氣體沿著恆星與星盤周圍的磁場結構被加速，向外流出。35

其他JWST觀測也呈現類似的巢狀結構：狹窄而快速的噴流，位於較寬廣、速度較慢的分子氫外流之內。7這讓研究人員能把不同觀測到的氣體成分，與星盤中不同尺度、不同速度的外流連結起來。

從強勁磁風轉向較慢原子風

研究結果顯示，外流的樣貌會隨恆星系統老化而改變。當吸積率下降，快速的[Ne II]噴流與H₂風被偵測到的比例也跟著降低；其中較熱的H₂成分比溫度較低的成分更早減弱。吸積率較低的星盤，則更常呈現速度較慢、低速的[Ne II]與原子風。3

這支持一種演化上的「交接」：

1. 早期：年輕恆星仍積極吸積物質，磁場驅動的高速噴流，以及分子與原子組成的強勁外流，會大量帶走星盤氣體。
2. 中後期：隨著星盤變薄、吸積減弱，磁性噴流與分子風逐漸衰退。
3. 後期：恆星的X射線與紫外線較容易穿透變薄的物質，將星盤表面氣體加熱到足以逃逸，形成以原子氣體為主、速度相對溫和的光蒸發風。23

研究團隊指出，這兩種物理機制可能在太陽系形成的前1,000萬年內先後發揮作用，而這項研究進一步限制了兩者主導權轉換的大致演化脈絡。2

為什麼會影響巨行星形成？

像木星這類氣體巨行星，需要在足夠厚重的原行星盤中，快速吸積氫與氦，形成大氣包層。當磁性噴流、星盤風以及後期的光蒸發作用持續帶走氣體，這個可供吸積的儲備便會逐漸枯竭。2

因此，固態核心何時長大可能是關鍵：若核心較早達到足夠質量，便可能在星盤氣體消散前迅速吸積，成長為氣體巨行星；若核心形成得較晚，面對的可能已是氣體稀薄甚至接近無氣的星盤，最後便可能停留在較小的行星階段，只保有少量原始大氣。這是根據觀測到的星盤演化序列所作的推論，並不是研究直接觀察到行星在不同類型之間轉變。23

對今天約45億至46億歲的太陽系而言，這項結果暗示年輕太陽很可能也經歷過類似的早期磁風階段，之後再由光蒸發作用清除星盤。木星要形成如今龐大的氫氦包層，就必須在太陽星雲於最初幾百萬年內逐漸被帶走之前完成主要吸積。2

目前還不能回答的問題

這項72個星盤的調查，主要建立了外流在不同演化階段的存在情形與形態變化，但尚未完整測出每一種噴流或星盤風實際帶走的質量。要精確估算星盤何時會失去形成巨行星所需的氣體，還需要更多具備速度與空間解析度的分子、原子示蹤物觀測，以釐清：

• 每個噴流或星盤風帶走多少質量；
• 星盤的哪些半徑與垂直層面供應這些外流；
• 各種風的溫度、速度與隨時間的變化；
• 最終清除氣體、關閉巨行星形成窗口的實際時間尺度。34

因此，現有資料支持「行星形成必須與星盤消散競速」這一整體結論，但仍不足以提出適用於所有系統的精確清盤期限，或為每一種外流成分給出統一的定量質量流失率。