行星最初是如何圍繞恆星形成的?

2020-12-13 老胡說科學

20個新的原行星盤,由高角解析度項目(DSHARP)合作的圓盤子結構成像,展示了新形成的行星系統的樣子。行星形成理論已經存在了很長一段時間,但缺乏驗證。

一顆年輕恆星被原行星盤環繞的景象。圍繞類太陽恆星的原行星盤有許多未知的特性,但它們都表現出紅外輻射。虎斑貓的星星沒有。原則上,氣體坍縮會形成被原行星盤包圍的原恆星。

非常年輕的原恆星M17-SO1,早在2005年就被地面上的斯巴魯望遠鏡拍攝到,顯示了圍繞著一顆新形成的恆星的原行星盤的特徵,但是當時的儀器無法解決內部特徵。隨著原恆星的成長,它們會變熱,同時它們的圓盤在揮發性物質蒸發之前競相形成行星。

哈勃在獵戶座星雲拍攝的30個原行星盤,或稱原行星盤。哈勃望遠鏡在識別這些圓盤的光學特徵方面是一個傑出的資源,但它幾乎沒有能力探測這些圓盤的內部特徵,即使是從它在太空中的位置。通過像哈勃這樣的天文臺,我們發現並識別了許多圓盤,但無法測量它們的內部性質。

這幅藝術家對原行星盤的描繪表明,即使我們擁有最好的光學和近紅外望遠鏡,我們也只能希望推斷出在這些原行星環境中形成的最突出、質量最大的行星的位置。從理論上講,這些圓盤應該顯示出巨大的、早期行星開始形成的空隙。

大量的原行星系統已經被成像,但是最先進的為外行星盤圖像設計的紅外成像儀是SPHERE,其解析度通常在10」左右,即每像素不到0.003度。這些原行星盤圖像提供了關於在它們內部形成行星的線索。在非常大的望遠鏡下,球體儀器成功地直接成像了一些原行星盤。

圖右為年輕恆星MWC 758的觀測結構,圖左為一顆大型外行星的模擬結果。這顆巨大的恆星比我們的太陽要大得多,但也不是一顆真正的恆星。一些行星由於外部行星的質量而呈現螺旋狀,而另一些則由於質量較低的行星而具有對稱的環。

八顆年輕的金牛座恆星,由球體成像,顯示圓盤、環和對稱的、未受擾動的結構。這8個圓盤的年齡從100萬年到1500萬年不等,它們都圍繞著質量小於等於2個太陽的恆星。然而,對原行星盤的最佳描繪來自阿爾瑪。

流星,拍攝於阿塔卡馬大毫米/亞毫米陣列,2014年。ALMA可能是世界上最先進、最複雜的射電望遠鏡陣列,能夠對原行星盤中前所未有的細節進行成像,也是活動視界望遠鏡的重要組成部分。阿爾瑪鮮明的形象引人注目。

距離年輕的中央恆星的距離決定了存在的物質類型。熱和能量流改變了這些系統中的一切。光環和圓盤上的縫隙表明可能存在行星,這是ALMA可以揭示的細節。它的高角解析度項目(DSHARP)的圓盤子結構剛剛發布了他們的第一個結果,揭示了20個附近的原行星盤。

這20個原行星盤,正如他們出現在最近的ApJ快報的論文中,展示了多樣性和複雜的細節,發現了由DSHARP團隊拍攝的正面和傾斜的原行星盤。大多數行星都有縫隙、環和容易識別的候選行星位置。

HD 163296是DSHARP協作觀測到的典型原行星盤的代表。它有一個中心原行星盤,外部發射環,以及它們之間的空隙。在這個系統中應該有多個行星,人們可以識別出一個奇怪的人工產物,它位於最外層的環的內部,這可能是一個擾動行星的跡象。我們已經知道,這種小規模屬性的存在是普遍存在的。

這顆原恆星IM Lup的周圍有一個原行星盤,它不僅呈現出光環,而且還呈現出向中心的螺旋狀特徵。這可能是一個多恆星系統,也可能不是,但很可能是一個巨大的行星造成了這些螺旋狀的特徵。這一理論解釋雖然令人信服,但尚未得到明確證實。最常見的特徵是同心發射環和除塵間隙。

原恆星HD 143006顯示了兩個明顯同心的外圈和一個大的內部間隙。那裡可能有一套行星,還有一顆位於外圈之間的空隙中。最外層環上的「熱點」可能暗示有一顆外行星拽著環,或者完全是別的什麼東西。理解行星的演化,從星雲到原行星再到成熟的太陽系,終於觸手可及。

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