亚利桑那州的大型双筒望远镜。LBTI仪器将来自两个8.4米反射镜的红外光结合起来，对年轻恒星和附近恒星周围的行星和圆盘进行成像。鸣谢:D. Steele，大型双筒望远镜天文台
据亚利桑那大学：对银河系的描绘显示了螺旋“臂”的盘绕模式，充满了从中心向外延伸的恒星。在一些年轻恒星周围的气体和尘埃漩涡云中也观察到了类似的模式——正在形成的行星系统。
这些所谓的原行星盘是年轻行星的诞生地，科学家们对此很感兴趣，因为它们让人们得以一瞥太阳系在婴儿期的样子，以及行星通常是如何形成的。科学家们长期以来一直认为这些圆盘中的旋臂可能是由新生行星引起的，但直到现在还没有发现。
在《自然天文学》上发表的一篇论文中，亚利桑那大学的研究人员报告了一颗被命名为MWC 758c的巨大系外行星的发现，它可能正在其婴儿行星系统中产生旋臂。天文学家还提出了一些可能性，比如为什么科学家们过去一直在努力寻找这颗行星，以及他们的方法如何应用于在类似情况下探测其他隐藏的行星。
“我们的研究提出了一个坚实的证据，证明这些旋臂是由巨行星引起的，”论文的主要作者、亚利桑那大学斯图尔特天文台的博士后研究员凯文·瓦格纳说。“借助新的詹姆斯·韦伯太空望远镜，我们将能够通过搜索更多像MWC 758c这样的行星来进一步测试和支持这一想法。”
这颗行星的恒星距离地球约500光年，只有几百万岁——与我们46亿岁的太阳相比，它只是一个胚胎。因此，该系统仍然有一个原行星盘，因为环绕的碎片需要大约1000万年才能被抛出系统，被恒星摄入，或形成行星，卫星，小行星和彗星。这个系统的碎片中突出的螺旋图案在2013年首次被发现，天文学家很快指出了与形成巨行星的理论模拟的联系。
瓦格纳说:“我认为这个系统是一个类比，说明我们的太阳系在其生命中出现的时间不到1%。”“木星作为一颗巨大的行星，也可能在数十亿年前与我们自己的圆盘相互作用并受到引力的影响，最终导致了地球的形成。”
天文学家已经拍摄了使用现有望远镜可以看到的恒星系统中的大多数原行星盘。在大约30个被确认的圆盘中，大约三分之一具有旋臂的特征——在圆盘的气体和尘埃颗粒中有明显的漩涡。
理论模拟中一颗巨大行星驱动原行星盘中旋臂的图像。鸣谢:l.克拉普和k.克拉特，亚利桑那大学
“旋臂可以提供行星形成过程本身的反馈，”瓦格纳说。“我们对这颗新行星的观察进一步支持了这样一种观点，即巨行星在早期形成，从其诞生环境中吸积质量，然后引力改变了其他较小行星形成的后续环境。”
旋臂是由于轨道伴星对围绕恒星运行的物质的引力而产生的。换句话说，一颗巨大的伴星，比如一颗巨大的行星的存在，被认为会触发圆盘中的螺旋图案。然而，之前探测这颗负责任的行星的尝试一直没有结果——直到现在。
“为什么我们还没有看到这些行星，这是一个公开的问题，”瓦格纳说。“大多数行星形成模型表明，巨行星在形成后不久应该非常明亮，这样的行星应该已经被探测到了。”
研究人员最终能够通过使用大型双筒望远镜干涉仪(或称LBTI)来探测MWC 758c，这是一种由UArizona制造的仪器，连接望远镜的两个8.4米主镜，可以在中红外范围内的较长波长进行观察，不像其他大多数仪器用于在较短或较蓝的波长观察系外行星。该论文的合著者、LBTI首席仪器科学家史蒂夫·埃尔特尔(Steve Ertel)表示，该仪器有一个摄像头，可以以类似于美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope，简称“JWST”)的方式探测红外光。
埃尔特尔说，尽管这颗系外行星的质量估计至少是木星的两倍，但其他望远镜看不到它，因为它有意想不到的红色——这是迄今为止发现的“最红”的行星。由于地球大气层和望远镜本身的热辉，更长、更红的波长比更短的波长更难探测。LBTI是迄今为止建造的最灵敏的红外望远镜之一，由于其较大的尺寸，在探测非常靠近其恒星的行星方面，甚至超过了JWST，如MWC 758c。
“我们提出了两种不同的模型来解释为什么这颗行星在更长的波长下更亮，”埃尔特尔说。“要么这是一颗温度比预期更低的行星，要么它是一颗形成后仍然很热的行星，只是碰巧被尘埃覆盖。”
“如果这颗行星周围有大量的尘埃，尘埃将吸收较短的波长，或更蓝的光，使这颗行星只在更长，更红的波长下显得明亮，”合著者Kaitlin Kratter说，他是UArizona理论天体物理学家。“在另一种情况下，一颗更冷的行星被更少的尘埃包围，这颗行星更暗，发出更多波长更长的光。”
大型双筒望远镜干涉仪(LBTI)在红外波段观测到的MWC 758行星系统。理论模拟表明，新发现的行星“c”可能是驱动年轻恒星周围气体和尘埃圆盘螺旋模式的原因。鸣谢:k.瓦格纳等人。
瓦格纳说，该行星附近的大量尘埃可能表明该行星仍在形成，并且它可能正在形成像木星周围的木星卫星那样的卫星系统。另一方面，如果行星遵循更冷的模型，那么在这些早期恒星系统中可能会发生一些事情，导致行星形成的温度低于预期，这促使行星科学家修改他们的行星形成模型和系外行星探测策略。
“无论是哪种情况，我们现在知道我们需要开始在这些有旋臂的系统中寻找更红的原行星，”瓦格纳说。
天文学家预计，一旦他们用詹姆斯·韦伯太空望远镜观察到这颗巨大的系外行星，他们将能够判断这两种情况中的哪一种正在婴儿系统中发生。该团队已获准在2024年初使用JWST完成这些观测。
“根据JWST观测的结果，我们可以开始将这一新发现的知识应用于其他恒星系统，”Wagner说，“这将使我们能够预测其他隐藏的行星可能隐藏在哪里，并让我们知道为了探测它们，我们应该寻找什么属性。”
