行星形成于围绕年轻恒星运转的气体和尘埃盘中。MIRI 中红外盘巡天 (MINDS) 由德国海德堡马克斯·普朗克天文研究所 (MPIA) 的托马斯·亨宁 (Thomas Henning) 领导，旨在建立一个具有代表性的盘样本。通过使用詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 上的 MIRI（中红外仪器）探索它们的化学和物理特性，该合作将这些盘与可能在那里形成的行星的特性联系起来。
在一项新研究中，一组研究人员探索了一颗质量仅为 0.11 个太阳质量的极低恒星（称为 ISO-ChaI 147）的附近区域，其研究结果发表在《科学》杂志上。
JWST 为行星形成盘的化学性质打开了一扇新窗口
荷兰格罗宁根大学的主要作者阿迪亚·阿拉巴维 (Aditya Arabhavi) 解释道：“从地球上不可能进行这些观测，因为相关气体排放会被大气层吸收。”
“此前，我们只能识别出该物体发射的乙炔（C 2 H 2）。然而，詹姆斯·韦伯太空望远镜更高的灵敏度和仪器的光谱分辨率使我们能够探测到较少分子发出的微弱辐射。”
MINDS 合作小组发现气体的温度约为 300 开尔文（约 30 摄氏度），富含碳分子，但缺乏富氧物质。“这与我们在太阳型恒星周围盘面中看到的成分截然不同，在太阳型恒星周围盘面中，水和二氧化碳等含氧分子占主导地位，”团队成员、格罗宁根大学的 Inga Kamp 补充道。
一个引人注目的富氧盘例子是 PDS 70，MINDS 计划最近在该盘上发现了大量水蒸气。考虑到早期的观测结果，天文学家推断，围绕质量极低恒星的盘的演化方式与围绕质量较大恒星（如太阳）的盘的演化方式不同，这可能有助于在那里找到具有类似地球特征的岩石行星。
由于此类圆盘中的环境为新行星的形成设定了条件，因此任何此类行星都可能是岩石行星，但在其他方面与地球截然不同。
这对于围绕低质量恒星运行的岩石行星意味着什么？
这些圆盘中的物质数量及其分布限制了圆盘能够提供必要物质的行星的数量和大小。因此，观测表明，在质量极低的恒星（宇宙中最常见的恒星）周围的圆盘中，与地球大小相似的岩石行星比木星般的气态巨行星形成得更快。因此，质量极低的恒星占据了绝大多数类地行星。
这张图展示了 MIRI 中红外行星盘巡天 (MINDS) 的部分结果，该巡天旨在建立行星盘化学清单与系外行星特性之间的桥梁。在一项新研究中，科学团队探索了一颗质量极低的恒星（称为 ISO-ChaI 147，质量为 0.11 个太阳质量）周围的区域。这些观测结果不仅提供了此类行星形成的环境和基本成分的见解。团队发现，恒星行星形成区域的气体富含碳。这可能是因为碳从岩石行星形成的固体物质中被去除，这可以解释为什么地球相对缺乏碳。韦伯中红外仪器 (MIRI) 揭示的光谱显示了迄今为止在原行星盘中发现的最丰富的碳氢化合物化学成分，包括 13 种含碳分子，直至苯。其中包括首次在太阳系外探测到乙烷 (C 2 H 6 )，这是太阳系外探测到的最大的完全饱和碳氢化合物。由于完全饱和的碳氢化合物预计会由更基本的分子形成，因此在此检测到它们为研究人员提供了有关化学环境的线索。该团队还首次在原行星盘中成功检测到乙烯 (C 2 H 4 )、丙炔 (C 3 H 4 ) 和甲基自由基 CH3 。此图突出显示了乙烷 (C 2 H 6 )、甲烷 (CH 4 )、丙炔 (C 3 H 4 )、氰基乙炔 (HC 3 N) 和甲基自由基 CH 3的检测结果。图片来源：NASA、ESA、CSA、R. Crawford (STScI)
亨宁指出：“这些行星的许多原始大气层可能主要由碳氢化合物组成，而不是水和二氧化碳等富氧气体。”
“我们在早期的研究中表明，富含碳的气体在这些圆盘中运输到类地行星通常形成的区域的速度比质量更大的恒星的运输速度更快、效率更高。”
虽然质量极低的恒星周围的盘中碳元素含量明显高于氧元素含量，但造成这种不平衡的机制仍不清楚。盘的成分要么是碳元素富集，要么是氧元素减少。如果碳元素富集，则可能是盘中的固体颗粒造成的，这些固体颗粒中的碳元素会蒸发并释放到盘的气体成分中。
尘埃颗粒被剥离了原始的碳元素，最终形成了岩石行星体。这些行星将像地球一样缺乏碳元素。不过，碳基化学成分至少可能主导由盘状气体提供的主要大气层。因此，质量极低的恒星可能不是寻找类似地球的行星的最佳环境。
詹姆斯·韦伯太空望远镜发现大量有机分子
为了识别盘状气体，研究小组利用 MIRI 的光谱仪将从盘状气体接收到的红外辐射分解为小波长范围的信号——类似于阳光被分解成彩虹。通过这种方式，研究小组分离出了大量归因于各种分子的个体信号。
结果显示，观测到的盘面包含迄今为止在原行星盘中发现的最丰富的碳氢化合物化学物质，由 13 种含碳分子组成，最高可达苯 (C 6 H 6 )。其中包括首次检测到的太阳系外乙烷 (C 2 H 6 )，这是太阳系外检测到的最大完全饱和碳氢化合物。
研究小组还首次在原行星盘中成功检测到乙烯 (C 2 H 4 )、炔丙基 (C 3 H 4 ) 和甲基自由基 CH 3 。相比之下，数据中没有发现行星盘中存在水或一氧化碳的迹象。
清晰观察极低质量恒星周围的圆盘
接下来，科学团队打算将他们的研究扩展到围绕极低质量恒星的更大样本盘，以加深对这种奇异的富含碳的类地行星形成区域的普遍性的了解。
“扩大我们的研究范围还能让我们更好地了解这些分子是如何形成的，”亨宁解释道。“数据中的一些特征仍未确定，需要进行额外的光谱分析才能充分解释我们的观测结果。”
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