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韦伯探索恒星Fomalhaut周围的小行星带并发现隐藏行星的证据

2023-05-10 05:04:53 来源：cnBeta

天文学家利用美国宇航局的詹姆斯-韦伯太空望远镜对附近的一颗年轻恒星Fomalhaut周围的温暖尘埃进行了成像，以研究有史以来在太阳系之外用红外光看到的第一个小行星带。但令他们惊讶的是，这些尘埃结构比我们太阳系的小行星和柯伊伯尘埃带要复杂得多。

(资料图)

总的来说有三个嵌套带，从恒星延伸到140亿英里（230亿公里）；这相当于地球与太阳距离的150倍。最外层带的规模大约是我们太阳系海王星以外的小天体和冷尘的柯伊伯带的两倍。内层带--以前从未见过--被韦伯首次揭示。

这些带子环绕着年轻的热星，用肉眼可以看到它是南部星座Piscis Austrinus中最亮的星。尘埃带是较大天体碰撞产生的碎片，类似于小行星和彗星，并经常被描述为"碎片盘"。位于图森的亚利桑那大学的András Gáspár和一篇描述这些结果的新论文的主要作者说："我会把Fomalhaut描述为在我们银河系其他地方发现的碎片盘的原型，因为它有类似于我们自己的行星系统的成分。通过观察这些星环的模式，我们实际上可以开始对一个行星系统应该是什么样子做一个小小的勾画--如果我们能够真正拍摄一张足够深的照片来看到疑似行星的话。"

哈勃太空望远镜和赫歇尔太空观测站，以及阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA），此前已经拍摄了最外层带的清晰图像。然而，他们都没有发现其内部的任何结构。韦伯首次用红外光解决了内部带的问题。"韦伯真正出色的地方是，我们能够从物理上解决那些内部区域的尘埃的热辉光。所以你可以看到我们以前从未见过的内带，"亚利桑那大学团队的另一名成员Schuyler Wolff说。

哈勃、ALMA和韦伯正在联合起来，对一些恒星周围的碎片盘进行全面的观察。沃尔夫说："有了哈勃和ALMA，我们能够对一堆柯伊伯带的类似物进行成像，而且我们已经了解了大量关于外盘如何形成和演变的信息。但是我们需要韦伯来让我们对其他地方的十几个小行星带进行成像。我们可以了解这些盘的内部温暖区域，就像哈勃和ALMA让我们了解较冷的外部区域一样。"

这张由韦伯的中红外仪器（MIRI）拍摄的Fomalhaut系统的图像显示了罗盘箭头、比例尺和颜色键，供参考。标签表示各种结构。在右边，一个巨大的尘埃云被突出显示，拉出的是两个红外波长：23和25.5微米。

北方和东方的罗盘箭头显示了天空中图像的方向。请注意，相对于地面地图上的方向箭头（从上面看），天空上的北和东之间的关系（从下面看）是翻转的。比例尺是以天文单位标注的，也就是地球和太阳之间的平均距离，即9300万英里。外环的直径约为240天文单位。这张图片显示了不可见的中红外波长的光，已经转化为可见光的颜色。颜色键和标签显示了在收集光线时使用了哪些MIRI过滤器。资料来源：NASA, ESA, CSA, András Gáspár (University of Arizona), Alyssa Pagan (STSCI)

这些带子很可能是由看不见的行星产生的引力雕刻而成的。同样地，在我们的太阳系内，木星笼罩着小行星带，柯伊伯带的内边缘是由海王星雕刻的，而外边缘则可能是由它以外的尚未见过的天体牧养的。随着韦伯对更多系统的成像，我们将了解其行星的配置。

Fomalhaut的尘埃环是在1983年由美国宇航局的红外天文卫星（IRAS）的观测中发现的。该环的存在也是通过以前的和更长波长的观测来推断的，这些观测是利用夏威夷茂纳克亚的亚毫米望远镜、美国宇航局的斯皮策太空望远镜和加州理工学院的亚毫米观测站进行的。

"福马哈特周围的带子有点像一本神秘的小说。"韦伯的中红外仪器（MIRI）的另一名团队成员和美国科学负责人乔治-里克说，他进行了这些观测。"我认为，说这颗恒星周围可能有一个非常有趣的行星系统并不是一个非常大的飞跃。"

"我们肯定没有想到会有更复杂的结构，有第二个中间带，然后是更广泛的小行星带，"沃尔夫补充说。"这种结构非常令人兴奋，因为任何时候天文学家看到圆盘中的缺口和环，他们都会说，"可能有一颗嵌入式行星在塑造环！""

韦伯还对加斯帕尔所称的"巨大的尘埃云"进行了成像，这可能是两个原行星体之间在外环发生碰撞的证据。这与2008年哈勃首次在外环内看到的一颗疑似行星的特征不同。随后的哈勃观测显示，到2014年，这个物体已经消失了。一个合理的解释是，这个新发现的特征，就像之前的特征一样，是由两个冰冷的天体相互撞击而产生的非常细小的尘埃颗粒组成的膨胀云。

围绕恒星的原行星盘的想法可以追溯到17世纪末，当时天文学家伊曼纽尔-康德和皮埃尔-西蒙-拉普拉斯独立提出了太阳和行星由旋转的气体云形成的理论，这些气体云由于重力作用而坍缩变平。碎片盘是后来发展起来的，是在行星形成和系统中原始气体散开之后形成的。它们表明，像小行星这样的小天体正在发生灾难性的碰撞，并将其表面粉碎成巨大的尘埃和其他碎片云。对它们的尘埃的观测为系外行星系统的结构提供了独特的线索，这些线索一直延伸到地球大小的行星甚至小行星，这些小行星太小，无法单独看到。

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