恆星系統也會護犢子！設置屏障，保護新生行星不被恆星吞噬

2020-09-13 科學之美

由馬克斯·普朗克天文學研究所馬裡奧·福洛克(Mario Flock)領導的一組天文學家進行數值模擬表明，年輕恆星系統天生就具有「嬰兒防護能力」：物理機制結合在一起，使內部區域的年輕行星不會致命地墜入恆星。類似的過程也會讓行星在接近恆星的地方誕生，從靠近恆星區域的亂石中誕生。其研究發表在《天文學與天體物理學》上，並解釋了克卜勒太空望遠鏡的發現，這些發現顯示，大量超級地球在嬰兒防護能力區域邊緣非常接近地繞著恆星旋轉。

當一個孩子出生時，父母將確保他們已經對他們的家進行了嬰兒防護，設置了安全屏障，讓孩子遠離特別危險的區域。關於行星形成的新研究表明，在年輕的行星系統中也發生了非常類似的事情。行星圍繞著一顆年輕的恆星形成，這顆恆星被一片氣體和塵埃包圍著。在這個原生行星盤內，塵埃顆粒粘在一起，變得越來越大。幾百萬年後，直徑已經達到了幾公裡。在這一點上，重力足夠強大，將這些物體拉到一起形成行星，圓形物體，固體或具有固體核心，直徑為幾千公裡或更多。

內部邊界上奇怪的擁擠

就像蹣跚學步的孩子一樣，在這樣一個年輕的系統中，固體物體傾向於向各個方向運動，不僅圍繞恆星運行，而且向內或向外漂移。對於已經相對靠近中心恆星的行星來說，這可能會成為潛在的致命因素。在恆星附近，只會遇到與地球相似固體表面的巖石行星。行星核心只能捕獲和保存大量的氣體，使之成為遠離熾熱恆星更遠的氣體巨星。但是，對恆星附近行星在原生行星盤氣體中運動的最簡單計算表明，這樣的行星應該不斷地向內漂移，以不到一百萬年的時間尺度墜入恆星，這比原生行星盤的壽命短得多。

如果這是整個畫面，NASA克卜勒衛星觀測與太陽相似的恆星(光譜類型為F，G和K)，發現了完全不同的東西，這是令人費解的：許多恆星都非常接近地圍繞所謂的超級地球運行，即比地球質量更大的巖石行星。特別常見的是周期在12天左右的行星，周期低至10天。對於我們的太陽來說，這相當於大約0.1個天文單位的軌道半徑，只有水星軌道半徑的四分之一，水星是我們太陽系中最接近太陽的行星。

這是馬克斯·普朗克天文學研究所組長馬裡奧·福洛克(Mario Flock)與噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)、芝加哥大學(University Of Chicago)和倫敦瑪麗皇后大學(Queen Mary University)同事們一起著手解決的難題。參與研究的研究人員是模擬行星誕生複雜環境的專家，對氣體、塵埃、磁場和行星及其各種前體階段的流動和相互作用進行建模。面對近軌道克卜勒超級地球的明顯悖論，開始詳細模擬類太陽恆星附近的行星形成。

大型嬰兒防護系統

結果是明確的，並提出了兩個可能原因背後共同發生密切軌道的行星。第一，至少對於質量高達地球質量10倍的巖石行星(「超級地球」或「迷你海王星」)來說，這些早期恆星系統是可以保護嬰兒行星的。使年輕行星遠離危險區的安全屏障原理如下：離恆星越近，恆星的輻射就越強烈。內部邊界稱為矽酸鹽升華前沿，圓盤溫度上升到1200K以上，塵埃顆粒(矽酸鹽)將轉化為氣體。該區域內極熱的氣體變得非常湍流。這種湍流以高速將氣體輸送到恆星，在這個過程中變薄了原行星盤的內部區域。

當一個年輕的超級地球穿過氣體時，通常伴隨著氣體在類似馬蹄形的軌道路徑上與行星共同旋轉。當行星向內漂移併到達矽酸鹽升華前沿時，從熱的稀薄氣體移動到邊界外密度較大氣體粒子給行星一個小小的踢。在這種情況下，氣體將對行進中的行星施加影響(物理術語：扭矩)，而至關重要的是，由於密度的跳躍，這種影響將把行星拉離邊界，徑向外。通過這種方式，邊界起到了安全屏障的作用，防止年輕行星墜入恆星。而模擬所預測的類太陽恆星邊界位置，與克卜勒發現的軌道周期下限相對應。

邊界上的行星建造

還有另一種可能性：在追蹤幾毫米或幾釐米大小的卵石狀較小物體運動時，研究人員發現，這些卵石傾向於緊密地聚集在矽酸鹽升華前沿的後面。為了使壓力在邊界處直接平衡，過渡區域中的薄氣體需要比通常更快地旋轉(因為必須在壓力和離心力之間保持平衡)。這種氣體自轉速度比孤立粒子獨自繞恆星運行時的「凱普勒」軌道速度要快。進入這個過渡區域的卵石被迫以比凱普勒更快的速度運動，並在相應的離心力將其向外推時立即再次彈出，就像一個小孩子從旋轉木馬的平臺上滑落一樣。

這也有助於接近軌道的超級地球頻率，不僅以前形成的超級地球收集了一個嬰兒防護屏障。卵石聚集在那個屏障上的事實也為在那個位置新形成的超級地球提供了理想條件。對研究人員來說，這一結果並不完全出乎意料。事實上已經在更重的恆星模型(「HerBig Stars」)中發現了類似的卵石陷阱，儘管它們與恆星的距離要遠得多。新結果將其擴展到類似太陽的恆星，並為新生行星添加了嬰兒保護機制。此外，新研究論文是第一篇提供與克卜勒空間望遠鏡統計數據進行比較的研究。

我們的太陽系呢？

有趣的是，根據這些標準，我們的太陽系也可能擁有一顆比目前最內側的行星水星更接近太陽的類地行星。但沒有這樣的行星的事實是統計上的僥倖，還是這樣的行星存在並在某個時候被從太陽系內部彈射出來？這是一個值得進一步研究的有趣問題，這不僅是因為太陽系有嬰兒防護能力，有可能這樣保護的嬰兒已經『飛出了巢穴』。

博科園｜研究/來自：馬克斯·普朗克學會

參考期刊《天文學與天體物理學》

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