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先有恒星再有行星? 行星种子比你想的更“早育”

先有恒星再有行星? 行星种子比你想的更“早育”

行星是在什么时候形成的?可能比你想象的还要早。近日,一个由荷兰、瑞典和丹麦天文学家组成的研究小组在《自然·天文》发表文章称,对恒星系统TMC1A的观测显示,行星的孕育过程早在恒星形成早期就启动了。这更新了人们对行星形成时间的认识,而且或许还能解释木星和土星等巨型行星的形成问题。

诞生于原恒星的“胚胎”

最近二十多年来,天文学家已经发现了数以千计的系外行星。统计研究表明,行星在银河系中是广泛存在的,几乎每一颗类似太阳的恒星周围都可能存在一颗或多颗行星。关于行星是如何形成的,长期以来都是天文学中一个重大而基本的问题。

经过不懈的努力,天文学家逐渐勾画出了行星系统形成的大致轮廓。宇宙空间中的一团分子云在引力作用下发生收缩,在它的中心部分,温度不断升高,形成所谓的“原恒星”。而包裹在周围的物质在引力和自转的共同作用下,一边朝着中心的原恒星下落,同时逐渐向原恒星的赤道平面方向聚集,形成一个扁平的原行星盘。此时原恒星和盘都被包裹在一个巨大的气体包层里,如同正在孵化的鸡蛋,包层里的气体还在不断地下落到原恒星,及其附属的盘上,天文学家把这一过程形象地称为恒星胚胎的“生长”。这一阶段持续的时间大约为1万到10万年。

但是这种生长并非是无限持续的,而是会由于胚胎自身的原因被打破。在接下来数十万到数百万年的时间里,随着原恒星温度升高,星风和紫外辐射越来越强烈,最终驱散了包裹在周围的气体包层,恒星胚胎破壳而出。但它还不算严格意义上的恒星,因为温度还不够高,不足以引发氢核聚变。因为丢掉了绝大部分的气体包层,原恒星的质量就几乎不再增长了,但此时行星的“种子”——原行星盘中的尘埃粒子却在不断碰撞、粘连、融合,逐渐长大,形成行星的最原始胚胎——“星子”。

略有不足的质量估算方法

虽然这个理论得到了很多观测证据的支持,但是有相当多的细节还需要完善。其中一个问题是,目前已经观测到了为数众多的年龄大于200万年的“成熟”的原行星盘,它们的平均质量只相当于海王星,无法形成像木星和土星这样的巨行星。这是由于行星是原行星盘中的物质聚集而成的,显而易见行星的质量不会超过原行星盘的总质量。换言之,原行星盘中的物质总量决定了行星质量的上限。

为了解决这个矛盾,天文学家们重新审视了测量原行星盘质量的方法。原行星盘是星际物质坍缩、吸积而来的,星际物质包含两个部分:气体和尘埃。其中气体占大部分,总质量大约是尘埃的100倍。然而气体的主要成分是氢分子(H2),在低温时几乎不发出辐射,因此天文学家往往通过测量尘埃在亚毫米波段的热辐射来估计尘埃的质量,进而根据气体和尘埃的比例估算原行星盘的总质量。

不过这种方法需要假设尘埃粒子是相对比较“透明”的,而实际情况是它们的透明度与尘埃粒子的大小、温度等诸多因素都有关。如果错误地估计了尘埃的透明度,就会低估行星盘的总质量。另一方面,原行星盘中的尘埃相对于气体的实际比率可能远低于星际物质,这也会导致得到的总质量比实际情况要低。

另一种更为直接的方法就是观测某种气体分子发出的谱线来估算气体的质量,继而得到盘的总质量。一氧化碳(CO)是星际介质和原行星盘中广泛存在的一种分子,其中含量最丰富的CO分子因为透明度太低,不适合观测,但是由碳和氧的同位素组成的几种同位素体,例如13CO、C18O则含量适中——既不太高,因而具有足够高的透明度,又没有低到无法观测的程度,很适合测量气体的总质量。

但是CO分子及其同位素体在盘的外侧温度比较低的地方会“冻结”成固态的干冰,这部分分子就无法被观测到。此外,部分CO分子还会发生化学反应,转换成CO2和一些有机分子。一些观测表明,由这种方法得到的盘质量比通过尘埃得到的结果还要低。

更早更快的孕育过程

这次天文学家观测到TMC1A是一个年轻的低质量原恒星系统,带有一个半径为100天文单位(AU,1天文单位为1.496×108千米)的原行星盘,位于著名的金牛座分子云里,距离地球140秒差距(约460光年),年龄最多只有几十万年。先前的观测表明,这个原恒星系统被一个由星际物质所组成的巨大的包层所围绕,包层中的物质还在不停地下落到中心的原恒星及其行星盘上,是一颗典型的尚未“破壳而出”的原恒星系统。

2016年,一个由荷兰、瑞典和丹麦天文学家组成的团队用欧洲南方天文台(ESO)的阿塔卡玛大型毫米亚毫米射电阵列(ALMA)观测了TMC1A,以前所未有的分辨率获取了这个原恒星系统在毫米波段的图像。

最近,这个小组又重新分析了他们的观测数据,发现在原恒星周围40AU的范围内存在尘埃的热辐射,而13CO和C18O这两种一氧化碳气体分子的辐射比尘埃辐射延伸的范围要大得多,达到了70AU。但是令人惊讶的是,在行星盘的内部,距离中心15AU的范围以内,这两种气体分子的辐射都消失了,在图像上如同出现了一个“空腔”,这与传统理论不符。

对此,最有可能的解释是在距离中心30AU的范围内,尘埃已经通过互相融合,生长到了比较大的尺寸,大于1毫米,因此变得非常不透明,以至于完全屏蔽掉了CO同位素体分子的辐射。根据尘埃的辐射,科学家估算出这个原行星盘所包含的尘埃和气体的总质量大约是木星质量的几十倍,足以在将来形成好几颗类似木星的巨行星。

考虑到TMC1A是一个非常年轻的原行星盘系统,这项新的观测表明,原行星盘里尘埃粒子的增长过程比先前预想的更早、更快。也就是说,在原行星盘演化的早期阶段,形成行星的最原始“种子”就已经在其中孕育了。这个研究团队的主要领导者,瑞典查尔姆斯理工大学的佩尔·本杰尔克利则表示,这个现象可以解释为什么原行星盘可以形成像木星和土星这样大质量的巨行星。

(作者系德国马普地外物理所博士后)


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