天文|行星形成的两种解释：它的形成过程是怎样的？科学家这样解释_科学|最大的恒星|恒星形成|恒

恒星诞生时，密集的星际物质云团在自身引力作用下坍塌，旋转成最终卷成婴儿星的扁平的圆盘。现在，在一颗如此年轻的原恒星周围，首次发现了行星形成的蛛丝马迹，残留的尘埃和气体云仍在向它坍塌，圆盘仍在形成的过程中。
这是最早在原恒星环中发现这样的结构，它表明行星的形成比我们想象的要早，甚至早于新生系统50万年的历史。
这颗年轻的原恒星被称为IRS 63 ，它位于470光年外的蛇夫座恒星形成区——这是一座恒星苗圃，那里的尘埃足够厚，可以形成最终生成成恒星的旋转的团块。

蛇夫座星云复合体
IRS 63属于恒星形成过程中的一级星，只有不到50万年的历史。它已经完成了主要的吸积阶段，拥有了大部分的终极质量；毫米的波长让它光芒耀眼，它也是同类星中最亮的原恒星之一。
此外， IRS 63有一个大圆盘，可以延伸到大约50个天文单位。这些特性加上它的可及性，使该天体成为研究恒星和行星形成的绝佳目标。
【天文|行星形成的两种解释：它的形成过程是怎样的？科学家这样解释】

蛇夫座恒星形成区（图片来源：欧洲南方天文台/数字化天空调查2）
德国马克斯?普朗克地外物理研究所的天文学家多米尼克?塞古拉-考克斯（Dominique Segura-Cox）领导的团队利用智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列——这种射电望远镜在探测早期行星形成方面有着绝佳的表现——对这颗恒星及其周围的尘埃云进行了仔细的观察。

阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列
在那里，漩涡状的圆盘中，研究小组发现了一个惊喜：以原恒星为中心的两个黑暗的同心空隙——天文学家们认为这是行星形成的标志。
行星的形成是一个鲜为人知的过程。最普及的模型是核心吸积——圆盘中的灰尘颗粒逐渐积累，首先通过静电粘附在一起，然后随着自身的增大通过引力吸附在一起。当这种情况发生时，原行星沿它的轨道将所有物质卷起来，从而在环形星盘上形成空隙。
在我们以足够高的分辨率拍摄的几乎所有光盘中，都检测到了这种空隙。但是这个模型存在一个大问题——行星以这种方式形成需要很长时间，而年龄超过100万年左右的原恒星盘似乎没有足够的物质来形成已知的系外行星群。
天文学家们发现了超过35个100万年左右的二级原恒星系统，它们已经失去了大面积的尘埃云，但其中仍有原恒星盘和活动明显的空隙。它们在形成的100万年中就生成如此发达的空隙，表明恒星在这个年龄段时，行星的形成过程正在有条不紊地进行着。

银河系A2744-YD4艺术渲染图
如果多米尼克?塞古拉-考克斯（Dominique Segura-Cox）和她的团队检测到的这种结构是由行星创造的，那么这个结果就会支持上述想法，并为原恒星盘的质量流失问题提供一个解决方案。
研究人员在论文中写道：“最近对二级圆盘的尘埃质量测量也表明，在从小于0.1到100万年的时间尺度上，如果极大的质量被锁定在行星星体中，那么这种现象就解释了我们观察到的尘埃消耗。 ”
与这些二级圆盘中的空隙相比， IRS 63周围圆盘中空隙的对比度较低，表明它们含有更多的物质。因此，从上述空隙中推测到的原行星正处于较早的发育阶段。

（图片来源：塞古拉-考克斯及其团队，《自然》2020年）
研究小组还计算了造成他们所看到的空隙所需的潜在原行星的质量。距离恒星19个天文单位的那个较近的空隙，应该是由一个质量为木星的0.47倍的天体创造的。而距离恒星37个天文单位的那个较远的空隙，则是由一个质量为木星的0.31倍的天体创造的。
这样的质量已是估值的上限，但即使是稍低的估计值也已经是极大的天体了——毕竟地球的质量只有木星的0.003倍。这实在出人意料，因为在我们的行星模型中，如此迅速的吸积过程面临着巨大的障碍。
研究人员指出，另一种可选的解释是行星尚未开始形成。相反，这些空隙可能是由一种被称为径向漂移的现象造成的：圆盘中的气体产生阻力, 使尘埃和岩石颗粒失去角动量, 开始向恒星漂移。这实际上被认为是行星形成的障碍，因为行星的形成速度要比径向漂移快。
但是气体的密度不一定是均匀的，气体径向表面密度的局部最大值会形成尘埃的“陷阱” 。所以有可能这些空隙是由向内移动的尘埃造成的，而圆盘中密度较大的环就是这些气体压力最大值的陷阱。
按照这种解释，这些厚厚的、尘土飞扬的圆环会产生更高的尘气比率，导致加速吸积区的形成——所以说，它们更像是原行星的原型。
无论是哪一种解释，该团队在IRS 63周围的圆盘中观察到的很可能是行星形成的结果——这一过程的开始时间比我们之前见过的时间早很多。

艺术渲染图——原行星盘包围着一颗正在形成的婴儿星
研究人员在论文中写到：“即使在最保守的情况下……这些特征也表明尘埃开始在圆盘特定的半径处聚集。圆盘的结构很可能在恒星形成过程的早期对行星进化产生影响。 ”
“一级原恒星依然被包裹在大面积的气体和尘土中，可以随着物质的吸积来补充圆盘，这表明如果IRS 63圆盘中的行星形成已经开始，那么行星和原恒星很可能从早期开始就一起生长和演化。 ”
该研究已发表在《自然》杂志上。
BY: MICHELLE STARR
FY:AngelinaWu
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