年轻恒星TWA 7周围亚木星质量行星的直接成像证据及其对行星形成理论的启示

时间：2025年6月27日

来源：Nature

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研究人员利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的MIRI（中红外仪器）首次在年轻恒星TWA 7的碎片盘中直接探测到一颗质量约0.3MJ的亚木星质量行星TWA 7b。该行星位于52 AU处，其轨道位置与碎片盘的三环结构（R1-R3）中的间隙高度吻合，通过N体模拟证实其引力作用可解释观测到的盘结构特征。这一发现为行星-盘相互作用提供了直接证据，填补了碎片盘中行星探测的空白，并展示了JWST在探测冷、低质量系外行星方面的突破性能力。

在宇宙的星辰大海中，年轻恒星周围的碎片盘如同行星诞生的“摇篮”，记录着行星形成的蛛丝马迹。过去数十年间，天文学家通过ALMA（阿塔卡马大型毫米波阵列）和VLT（甚大望远镜）等设备观测到大量碎片盘中的环状结构与间隙，推测这些特征可能由隐藏的行星引力扰动所致。然而，受限于观测灵敏度（通常仅能探测2-10M_J的行星），这些“幕后黑手”始终未被直接捕获。直到詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的升空，其革命性的中红外探测能力（MIRI仪器）终于为这一领域带来转机。

法国格勒诺布尔行星与天体物理研究所（IPAG）领衔的国际团队将目光投向距离地球仅34秒差距的年轻恒星TWA 7。这颗年龄仅640万年的M型恒星拥有一个近乎“俯视”角度的三环碎片盘，是研究行星-盘相互作用的理想实验室。通过JWST/MIRI在11.3 μm波段的观测，团队首次在1.5角秒（约52 AU）处发现了一个极红光源CC#1，排除了太阳系天体（如假想的第九行星）和背景星系的可能性后，最终确认其为质量约0.3M_J的亚木星质量行星TWA 7b。

关键技术方法
研究结合JWST/MIRI的日冕观测（F1140C滤光片）与VLT/SPHERE的1.6 μm高对比成像数据，通过线性组合和主成分分析（PCA）算法抑制恒星衍射光。利用HADES模型（热演化与大气自洽模型）和N体模拟（swift_rmv3代码）分别约束行星物理参数及其动力学影响，并通过ALMA 0.88 mm数据排除背景污染。

研究结果

行星性质与探测

CC#1的11.3 μm通量密度为5.60±0.97×10^-19 W/m²/μm，HADES模型拟合显示其有效温度介于305-335 K，质量0.34±0.06M_J（图2）。演化模型进一步支持该质量估值，且其低温和非辐照特性（不同于热木星）为研究行星早期热历史提供了罕见样本。

盘-行星动力学关联

行星位于SPHERE观测到的R2环（52 AU）间隙内（图3a）。N体模拟表明，0.34M_J的行星可在6 Myr内形成与观测一致的共轨道共振环（图3b），其引力扰动解释了R2环的狭窄宽度及行星位置的局部密度缺失。

统计与背景分析
背景星系假说的概率仅0.34%（+0.29/-0.18%），且CC#1未在ALMA 870 μm波段被检测（通量上限76 μJy），进一步支持其行星本质。

结论与意义
这项发表于《Nature》的研究首次实现了碎片盘中亚木星质量行星的直接成像，为“行星塑造盘结构”的理论提供了确凿证据。TWA 7b的低温（~320 K）、低金属丰度（[Fe/H]>0）特性填补了行星质量-温度分布图的空白，其与β Pictoris b（质量更大）和eps Ind Ab（年龄更老）的对比将推动行星形成理论的完善。未来通过JWST光谱观测可进一步约束其大气组成，而更高分辨率的ALMA数据有望揭示尘埃颗粒分布与行星轨道的精细相互作用。这一发现标志着JWST/MIRI开启了探测25-30M_⊕级系外行星的新纪元，为理解行星系统的早期演化提供了关键支点。