研究人员在围绕类太阳恒星 HD 181327 运行的尘埃碎片盘中发现了水冰。我们早就知道，冰，也就是冻结的水在太阳系中很常见。它存在于木星、土星、天王星和海王星的卫星上，也曾在彗星、矮行星以及漂流于太阳系边缘柯伊伯带的岩石天体上发现。但多年来，科学家们只能猜测其他恒星周围是否存在水冰。
天文学家利用詹姆斯·韦伯太空望远镜证实，遥远行星系统中存在结晶水冰，解开了数十年来的一个谜团。图片来源：NASA
如今，多亏了詹姆斯·韦伯太空望远镜，疑问终于得以消除。韦伯望远镜利用其超灵敏的近红外光谱仪（NIRSpec），清晰地探测到围绕年轻恒星HD 181327的尘埃碎片环中存在水冰。
这些冰冻的水在巨行星的形成过程中扮演着重要的角色，甚至可能像地球一样，被冰彗星带到岩石行星上。有了这一发现，科学家们现在可以开始探索这些冰冻的构造块如何塑造银河系中无数其他行星系统的演化。
研究人员首次利用美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜证实，在围绕类太阳恒星运行的尘埃碎片盘中存在结晶水冰。韦伯望远镜探测到的所有冰冻水都与整个尘埃盘中的细小尘埃颗粒配对。观测到的大部分水冰位于温度最低、距离恒星最远的地方。研究人员观察的距离恒星越近，发现的水冰就越少。图片来源：美国宇航局、欧空局、加拿大太空局、太空望远镜研究所、拉尔夫·克劳福德（太空望远镜研究所）
NASA韦伯太空望远镜在年轻恒星系统中发现冰冻水
天文学家长期以来一直怀疑其他恒星系统中存在冰冻水。线索来自于探测到水蒸气（H2O的气态形式）以及我们太阳系中丰富的冰。但在此之前，还没有直接证据证明固态水围绕着遥远的恒星运行。
得益于美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜，情况发生了改变。科学家利用其强大的光谱仪分析了155光年外一颗恒星周围尘埃碎片环发出的光线，证实了结晶水冰的存在——这种固态水具有高度有序的结构，类似于土星环或冰冷的柯伊伯带中发现的那种。
这颗名为HD 181327的恒星，早在2008年就曾被美国宇航局早期的斯皮策太空望远镜观测到水冰的迹象。但韦伯太空望远镜的最新观测结果消除了所有疑虑。
宇宙中的晶体
“韦伯太空望远镜明确地探测到的不仅仅是水冰，还有结晶水冰，这种水冰在土星环和太阳系柯伊伯带的冰体等地方也有发现，”这篇新论文的主要作者、马里兰州巴尔的摩市约翰霍普金斯大学的助理研究员陈谢说。
韦伯发现的冰粒子并非单独漂浮——它们与细小的尘埃混合，形成了科学家所说的“脏雪球”。这些微小的冰冻碎片散布在整个碎片盘中，有助于我们了解行星，以及可能维持生命的星球，是如何在宇宙的其他地方开始形成的。
该研究结果发表在《自然》杂志上。
期待已久的发现
几十年来，天文学家们一直在等待这些确凿的数据。“25年前，当我还是一名研究生时，我的导师告诉我，碎片盘中应该存在冰，但在韦伯望远镜出现之前，我们没有足够的仪器进行这些观测，”论文合著者、巴尔的摩太空望远镜科学研究所的天文学家克里斯蒂娜·陈说道。“最引人注目的是，这些数据与该望远镜最近对我们太阳系内柯伊伯带天体的其他观测结果相似。”
水冰是年轻恒星周围行星盘的重要组成部分——它对巨行星的形成有着重要的影响，也可能由彗星和小行星等小天体传递给已完全形成的岩石行星。如今，研究人员利用韦伯太空望远镜探测到了水冰，这为所有研究人员打开了一扇大门，让他们能够研究这些过程如何在其他行星系统中以新的方式发挥作用。
岩石、尘土、冰块四处奔涌
这颗编号为HD 181327的恒星比我们的太阳年轻得多。据估计，它的年龄为2300万年，而太阳的年龄则为46亿年。这颗恒星的质量略大于太阳，温度也更高，因此在其周围形成了一个略大一些的系统。
韦伯的观测证实了这颗恒星与其碎片盘之间存在着巨大的空隙——一片广阔的无尘区域。更远的地方，它的碎片盘类似于我们太阳系的柯伊伯带，那里有矮行星、彗星以及其他冰块和岩石（有时会相互碰撞）。数十亿年前，我们的柯伊伯带很可能与这颗恒星的碎片盘相似。
“HD 181327是一个非常活跃的系统，”陈说。“它的碎片盘中经常发生碰撞。当这些冰体碰撞时，它们会释放出微小的尘埃水冰颗粒，这些颗粒的大小正好适合韦伯望远镜探测。”
几乎无处不在的冰冻水
水冰在整个系统中分布并不均匀。大部分水冰位于温度最低、距离恒星最远的地方。“碎片盘的外部区域由超过20%的水冰组成，”谢志雄说。
研究人员观察得越近，发现的水冰就越少。在碎片盘的中部，韦伯望远镜探测到了大约8%的水冰。在这里，冰冻水粒子的产生速度可能略快于它们的毁灭速度。在最靠近恒星的碎片盘区域，韦伯望远镜几乎没有探测到任何水冰。很可能是恒星的紫外线蒸发了最近的水冰颗粒。也有可能，被称为行星的岩石在其内部“锁住了”冰冻水，而韦伯望远镜无法探测到。
从尘埃到行星
这个团队和更多的研究人员将继续在银河系的碎片盘和正在形成的行星系统中寻找并研究水冰。“水冰的存在有助于行星的形成，”谢志雄说。“冰物质最终也可能被‘运送’到类地行星，而这些行星可能在这样的系统中经过几亿年的时间形成。”
研究人员利用韦伯的近红外光谱仪 (NIRSpec) 观察了 HD 181327，该光谱仪对只能从太空中探测到的极其微弱的尘埃颗粒超级敏感。
编译自/scitechdaily