奇異星系內行星形成速度超出理論預期,天體物理學家或需因此改進現有理論

2022-01-09 DeepTech深科技

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HL Tau 是一顆形成還不到100萬年的恆星，位於智利的 ALMA 天文望遠鏡陣列（the Atacama Large Millimeter Array）曾於四年前發現該恆星附近明亮的盤狀塵埃區域中存在空隙，當時天文學家們認為，最可能的解釋是該恆星附近存在著一些我們尚未觀測到的行星，塵埃在這些行星的形成過程中被聚到了一起，並在塵埃分布區中留下了空隙。然而，根據現有理論，如此年輕的恆星至少還需數百萬年才能開始在自身附近形成行星，天文學家們也因此曾認為HL Tau星系或許具備某些特殊條件，但 ALMA 於最近完成的對20多個年輕恆星附件的盤狀塵埃調查顯示，HL Tau 星系並不具備那些能引出其他解釋的特殊條件。

 

普林斯頓大學的 Joshua Winn 說：「這些新的觀測結果或能為我們現有的星系形成理論帶來變革。」

 

目前的主流理論認為，星系內的行星由「核心吸積（core accretion）」過程形成，也就是通過散落在恆星附近的塵埃粒子的碰撞以及吸附先逐漸形成小的巖石塊，而隨著這些小巖石塊在進一步吸附周邊塵埃後逐步變大，它的引力也會逐漸增強，變的越來越容易吸附其周邊的塵埃顆粒，並最終在數百萬年後形成一顆行星。

 

然而，根據上周在天體物理快報（The Astrophysical Journal Letters）上就 ALMA 近期觀測結果所發表的10篇論文，HL Tau 系統內的這些「尚未被觀測到的行星」若真的存在，它們的形成時間則遠早於理論預期。

 

圖 | 新的觀測結果顯示，一些年輕恆星系統內的行星形成速度要遠高於現有理論的預期（圖源：S.ANDREWS, ET AL./ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); S. DAGNELLO/NRAO/AUI/NSF）

現有理論認為軌道距恆星的遠近決定了行星形成的速度，離得越遠運動速度越慢，塵埃的聚集速度也就越慢，但新的觀測結果顯示，即使是年僅30萬歲的恆星系統內也存在著塵埃區域空隙，其中一些空隙與恆星本身相距甚遠，甚至超過了海王星到太陽的軌道距離。

 

雖然有一種理論認為由盤狀塵埃中的團塊和結構的不穩定性所造成的自身引力塌陷或能加速行星的形成，但劍橋大學天文研究所的 Marco Tazzari 指出，新的觀測對象中幾乎沒有象徵結構不穩定的螺旋臂結構系統，Tazzari 說：「我們目前還無法解釋這種現象。」

 

雖然對現有理論提出了新的問題，但新的觀測結果也緩解了此前威脅「核心吸積」模型的一個危機，證明了現實中直徑以釐米為單位的塵埃顆粒並不會因周圍氣體的阻力迅速落入恆星，盤狀塵埃會持續存在直至行星形成。Tazzari 說：「高密度塵埃環或能捕獲周圍塵埃，阻止塵埃向恆星靠近，使這些形成行星的原料得以保存。」

 

劍橋大學的 Roman Rafikov 說：「目前，所有對觀測所發現的新問題所提出的解釋都建立在『存在未被觀測到的行星』的基礎上，但系統內雪線上的壓力變化或能使氣體被凍結在塵埃顆粒上，而系統內的磁場也有可能會使帶電塵埃粒子聚在一起，我們所觀測到的也可能是多種機理共同作用的結果，但要解決這一問題，我們必須對這些年輕恆星系統進行進一步的觀測。」

 

ALMA 和其他一些射電望遠鏡陣列具備有效觀測系統盤狀塵埃中佔其總質量99%的氣體的能力，比如觀察氣體中是否存在類似的空隙，並以此幫助天體物理學家進一步了解氣體與塵埃間的相互作用。

 

Tazzari 說：「此次 ALMA 的觀測結果無疑將會為星系的形成理論帶來變革，行星的形成或會因此從理論領域正式變為一個獨立的觀測領域。」

-End-

參考：https://www.sciencemag.org/news/2018/12/planets-probably-lurk-gaps-these-stellar-disks-how-did-they-form-so-fast

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