在我們太陽系的早期歷史中，科學家們推測一個名為忒伊亞（Theia）的火星大小天體撞擊了初生的地球，汽化了大量的岩石並將其炸入太空。其中一些物質匯聚形成了月球，而 NASA 的阿提米絲計畫（Artemis program）正將人類送回月球，為登陸火星做準備，並塑造太空探索的未來。
那場久遠的劇烈碰撞重塑了我們的家園行星。天文學家利用 NASA 的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）檢查了一類年輕的恆星系統，這些系統顯示出類似劇變的跡象，為碰撞中的能量提供了線索。這些結果為理解這些混亂系統的組成和演化提供了見解。
該團隊的發現於週四發表在《天體物理學期刊》（The Astrophysical Journal）。
恆星周圍的環境會隨著其老化而改變，從一個年輕、富含氣體的原行星盤開始，行星可以在其中形成，然後演變成一個貧氣體的碎片盤。在其任務壽命中，NASA 退役的史匹哲太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）檢查了碎片盤階段，並發現了一個稱為極端碎片盤的子類別。這些系統在靠近恆星的區域，與我們太陽系中岩石行星軌道相當的區域，擁有異常大量的溫暖塵埃。由科羅拉多州波德太空科學研究所（Space Science Institute）的 Kate Su 領導的一個天文學家團隊，利用韋伯望遠鏡調查了這些引人入勝的天體。
與理論預測的我們應該觀察到許多極端碎片盤的觀點相反，觀測表明這些環境非常罕見。科學家估計，根據迄今為止收集的數據，包括我們太陽系在形成過程中可能經歷的階段，只有大約 1% 的年輕恆星顯示出這個階段的可觀測特徵。儘管它們很罕見，該團隊仍能匯編一個包含 21 個極端碎片盤的樣本，其中包括 5 個來自史匹哲的檔案數據，以及 16 個來自韋伯的樣本，其中有 12 個是新觀測到的盤，以及對史匹哲其中 4 個盤的後續觀測。
「這是我們第一次收集到足夠的系統來真正理解我們稱之為極端碎片盤的這個子類別，」該論文的首席作者 Su 說。「在韋伯望遠鏡出現之前，我們掌握的資訊有限。我們知道它們很奇怪，與我們所知的典型寒冷碎片盤（如織女星和北河三）截然不同。現在我們有了更多數據，我們可以確定這些盤對於行星形成和演化代表著什麼。」
該團隊證實，極端碎片盤具有三個關鍵特性：比原行星盤或經典碎片盤中的塵埃顆粒更小，高濃度的溫暖塵埃，以及不規則的亮度變化，這些都由韋伯和史匹哲的中紅外光譜揭示。
為了確定這些特性的驅動因素，該團隊研究了盤的礦物組成。他們發現他們的樣本可以分為富含二氧化矽和貧二氧化矽的盤。火山玻璃，如黑曜石，是地球上發現的富含二氧化矽材料的一個例子，而貧二氧化矽的礦物鎂橄欖石，在夏威夷的一些海灘上呈現為綠色的沙粒。極端碎片盤的類別傳達了產生撞擊碎片的碰撞類型的信息，並可能解釋其紅外亮度變化的原因。
「能夠用韋伯望遠鏡看到它們的中紅外輻射和美麗的光譜特徵，這讓我們能夠識別它們的成分，這對我來說是最令人興奮的，」該研究的合著者、匈牙利布達佩斯康科利天文台（Konkoly Observatory）的 Agnes Kospal 說。「我們沒有其他方法可以直接研究這些行星胚胎，因為它們太小了。」
在他們的樣本中，約有三分之一是富含二氧化矽的，這表明這些盤是由火星大小天體之間的高能撞擊產生的，其中大部分物質被汽化了。其餘三分之二的樣本是貧二氧化矽的，這表明碰撞發生在較小的尺度上，例如月球大小天體之間的擦碰。富含二氧化矽的盤僅在年輕於 3 億年的恆星周圍發現，而貧二氧化矽的盤則在廣泛的年齡範圍內存在，並且經常顯示出更大的亮度變化。該團隊提出，這種變化是由於軌道變化和額外撞擊導致的新碎片快速演化所驅動的。
他們的發現可以應用於我們自己的太陽系，它可能經歷了不止一個極端碎片盤階段。
「岩石行星是如何形成的，以及巨行星是如何演化的，是太陽系形成更廣泛故事的一部分。這都是一個故事，」Su 說。「我們對極端碎片盤的研究有助於我們將我們目前理解的整體圖景聯繫起來。」
模擬顯示，類地行星，如地球，應該在太陽系形成後的最初幾億年內形成。這個時期與迄今為止觀測到的富含二氧化矽的極端碎片盤的年齡相符，也與地球和月球在大約太陽形成後 1 億年形成，月球很可能是地球與火星大小天體碰撞的結果的估計相符。
至於我們的太陽是否經歷了貧二氧化矽的極端盤階段，如果較老的貧二氧化矽盤及其隨機的紅外亮度間隔確實反映了軌道不穩定性，這將與我們太陽系的後期重轟炸假說（Late Heavy Bombardment hypothesis）廣泛一致。在此情景下，氣態巨行星遷移了相當大的距離，對較小物體的軌道產生了引力擾動，並引發了災難性的碰撞，這些碰撞產生了極端碎片盤中觀察到的短暫、富含塵埃的階段。
「當然，關於這些盤，我們還有很多不知道的事情，」該研究的合著者、康科利天文台的 Attila Moor 說。「我們預計在較老的極端碎片盤中不會有富含二氧化矽的系統。在我們的樣本中，只有三個盤符合這個年齡標準，所以觀察更多這樣的系統來證實我們的假設將會很有意義。」
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡是世界領先的太空科學天文台。韋伯正在解開我們太陽系的謎團，望向遙遠的系外行星，並探測我們宇宙的神秘結構和起源以及我們在其中的位置。韋伯是 NASA 與其合作夥伴歐洲太空總署（ESA）和加拿大太空總署（CSA）領導的一項國際計畫。
