早期宇宙的行星形成盤壽命更長

韋伯太空望遠鏡新數據挑戰對早期宇宙行星形成的理解，證實 20 多年前哈伯具爭議性的發現。2003 年哈伯發現一顆非常古老的恆星周圍有一顆巨大行星，這恆星幾乎和宇宙一樣老。這表示宇宙還非常年輕時就有行星形成，這些行星在年輕盤狀結構有足夠時間形成，且長得比木星還大。但那時恆星只含少量重元素，而重元素是構成行星的材料，所以當時巨大行星要如何形成？

為了解答問題，研究員利用韋伯研究鄰近星系恆星，這星系像早期宇宙，缺乏大量重元素，但一些恆星不僅有行星形成盤，且比銀河系年輕恆星周圍圓盤壽命更長。研究員表示透過韋伯，對哈伯望遠鏡看到的狀況有了真正證實，必須重新思考如何模擬年輕宇宙行星形成和早期演化。

早期宇宙的恆星主要由氫和氦形成，只有很少重元素如碳和鐵，重元素來自第一代超新星爆炸。目前理論模型預測，由於重元素很少，恆星周圍圓盤壽命很短，故行星無法變大，但哈伯確實看到行星之一，有可能原本理論模型並不正確，其實圓盤可以存活更久。

為了測試這假想，科學家將韋伯對準小麥哲倫星系，這是鄰近銀河系的小星系。特別研究巨大恆星形成區NGC 346，這區域也缺乏重元素，因此是研究早期遙遠宇宙有類似條件恆星環境的就近選擇。從哈伯2000年代中期觀察NGC 346，發現許多2,000萬至3,000萬年歷史的恆星周圍似乎仍有行星形成盤，但這有違傳統觀點，即以往認為這些圓盤200萬或300萬年後就消散。

▲ 韋伯拍攝NGC 346，是小麥哲倫星系的巨大星團。黃色圓圈表示此次研究調查的十顆恆星位置。（Source：NASA / ESA / CSA / STScI / O. C. Jones (UK ATC) / G. De Marchi (ESTEC) / M. Meixner (USRA)）

之前因無法取得這些恆星的光譜，因此無法確定是否真的目睹恆星成長和圓盤存在，或只是假象效應。現在得益於韋伯的靈敏度和解析度，科學家首次獲得正在形成的類太陽恆星及附近星系環境的光譜。這些恆星確實被圓盤包圍，即使2,000萬或3,000萬年相對古老年齡，仍在吞噬物質，這代表與銀河系附近恆星形成區域相比，行星在這些恆星周圍有更多時間形成生長。

這項發現反駁之前理論，即氣體重元素很少時，恆星會很快吹走圓盤，這種情況下，圓盤壽命非常短，甚至不到百萬年，但如果盤在恆星周圍時間不夠長，塵埃顆粒就無法黏聚，成為行星核心，那行星要如何形成？研究員解釋可能兩種機制，甚至是兩種機制融合。

▲ NGC 346光譜顯示有圓盤的證據。（Source：NASA / ESA / CSA / J. Olmsted (STScI)）

首先，為了吹走圓盤，恆星光會對圓盤氣體施壓，當氣體含比氫和氦更重的元素，過程會更有效率。NGC 346巨大星團的重元素含量只有太陽化學成分10%左右，故也許星團恆星需要更長時間吹散圓盤。第二種可能性是，當重元素很少，類太陽恆星必定是由較大氣體雲形成，大氣體雲會產生大圓盤，當圓盤質量較大，吹走圓盤便需要更長時間。研究員表示恆星周圍物質越多，吸積作用持續時間就越長，圓盤可能需要十倍時間才能消失，影響如何形成行星及不同環境能擁有的行星系統類型。論文發表於《The Astrophysical Journal》期刊。