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欧洲天文台发布金牛座及原行星盘图像,行星形成生命线

天文学家利用阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵(ALMA),首次在一个双星系统当中,检测到了巨大的外尘埃盘通过气流向系统内部输送物质的场景。这种前所未见的特征,或许能在双星系统内部维持另一个较小的物质盘,让行星有机会在其中形成——否则的话,内部的物质盘很久以前就应该消失不见了。大约半数类似太阳的恒星都诞生在双星系统之中,意味着这些发现对于太阳系外行星的搜寻将产生重大影响。这一结果发表在10月30日出版的《自然》(Nature)杂志上。

当地时间2014年11月6日,欧洲南方天文台发布金牛座及其原行星盘图片。

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“这意味着许多太阳系外系统可能与我们的太阳系类似,因为他们在外盘也有天王星和海王星,”朱说。“换句话说,我们的太阳系可能只是我们银河系中的常规行星系统。”

这个研究团队由法国国家科学研究中心波尔多天体物理实验室的安娜·迪特雷(Anne
Dutrey)领导,他们利用ALMA观测了多恒星系统金牛座GG-A中尘埃和气体的分布。这个天体的年龄仅有几百万年,位于金牛座中,距离地球大约450光年。(金牛座GG本身是一个多恒星系统,GG-A是其中的一颗子星,而这颗子星本身双是一个双星系统。所以,实际上这是一只是三体世界,还是一个N体世界。)

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一颗年轻恒星周围的原行星盘艺术图。图片来源:JPL-CALTECH

为了帮助回答这些和其他有趣的问题,UNLV和国际天文学家团队进行了第一次大样本,高分辨率的原行星盘测量,年轻恒星周围的尘埃和气体带。

金牛座GG-A拥有一个巨大的物质外盘,包围在整个系统的周围,另外还有一个内盘,包围在中央主星周围。这第二个内盘的质量,大约与木星质量相当。对于天文学家来说,这个内盘本身就是一个有趣的谜题,因为它正向中央恒星流失物质——按照这样的流失速率,这个内盘早就应该消耗一空了才对。

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天文学家有一个问题:如果你没有足够的原料,怎么能制造出行星呢?一项新研究发现,原行星盘——围绕在年轻恒星周围的尘埃和气体的轨迹——似乎因包含的物质数量太少而无法产生行星。

张和朱进行了大量的数值模拟研究行星盘相互作用。张从模拟中分析了540幅图像,找出了间隙宽度与行星质量之间的相关性,并将这些关系应用于观测,以约束这些圆盘中潜在行星的特性。

图片 3天文学家在金牛座GG-A系统中,发现有气流从物质外盘流向内盘——正是这种物质补给,让环境中央恒星的行星有可能形成。图片来源:欧洲南方天文台

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尽管之前一些恒星系统研究已获得类似发现,但这项研究首次分析了几百个不同系统存在的不匹配问题。“我认为这项工作所做的贡献是把这个问题‘敲实’了。”Manara说。

了解40亿年前地球在太阳系中的形成过程很困难,因为我们的太阳系早就完成了行星形成过程。

对太阳系外行星的搜寻,第一阶段的研究主要集中在类似太阳的单颗恒星周围。最近,天文学家已经证明,相当比例的巨行星围绕着双星系统旋转。现在,科学家已经开始更细致地调查,多恒星系统中的单颗恒星周围,有没有可能存在行星围绕。这一新的发现支持存在此类行星的可能性,为外星行星猎手开拓了新的狩猎场。

当地时间2014年11月6日,欧洲南方天文台发布金牛座及其原行星盘图片。

行星“摇篮”营养不足 科学家认为原行星盘无法形成天体

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PS:这一发现意味着,在“三体”那样由3颗恒星构成的世界里,行星也有机会在某一颗太阳,或者某几颗太阳周围形成。对于我们地球来说,这到底是好事,还是坏事呢?

这些结构表明,在这颗相当年轻的恒星周围,行星形成过程已经在顺利进行了。

阿塔卡马大型毫米阵列是智利阿塔卡马沙漠中的一个射电天文台,它使得研究原行星盘更加容易。在新研究中,欧洲南方天文台天文学家Carlo
Manara及同事,使用ALMA对围绕在年轻恒星周围的原行星盘,和质量已被证实的系外行星及围绕着同等大小的老恒星的系外行星系统进行了比较。结果显示,前者的质量通常比系外行星质量小得多,有时甚至是其1/10或1/100。相关论文刊登于《天文学和天体物理学》。

当星星年轻时,它们被一个由气体和灰尘制成的平盘包围。这些称为原行星盘的圆盘是年轻行星诞生的地方(这也是我们太阳系中的行星是共面的,位于我们太阳周围的共同平面上的原因)。

编译来源 欧洲南方天文台官网,Planet-forming Lifeline Discovered in a
Binary Star System

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Williams倾向于认为目前的望远镜只是错过了一些物质。而ALMA的波长被调准到能观察最小的尘埃。但是大量的物质可能被隐藏起来,无法观察到。新墨西哥州提议升级到甚大阵例的一个射电望远镜,或许能够发现这些隐藏的碎片,这些也许就是一些缺失的物质。

这项调查的结果将出现在天体物理学杂志的一个特别关注的问题上。

在利用ALMA观测这些结构时,研究团队作出了令人激动的发现——有气体团块出现在内外两个物质盘之间的区域。这一新的观测结果表明,有物质正从外盘向内盘转移,创造出一条连接两个物质盘的供养生命线。

ALMA拍到的这幅最新影像,展示了细腻到惊人的细节,提供了迄今最清晰的、有关行星形成的影像。

“但如果你解决了一个问题,就会面临另一个问题。”未参与该研究的夏威夷大学天文研究所天文学家Jonathan
Williams说。如果行星的核心在早期形成,当时大量物质留在星盘中,没有什么能阻止它们膨胀成木星大小的庞然大物。然而,系外行星调查显示,大多数行星都是地球或海王星大小。

另一方面,我们可以在银河系的其他部分观察到年轻恒星和年轻行星正在组装的年轻恒星。由于这些年轻的恒星远离我们,我们需要像ALMA这样的强大望远镜来研究这些系统。

行星就是从恒星诞生后遗留下来的这些物质中诞生的。这是一个缓慢的过程,意味着持久存在的物质盘是行星形成的必要条件。如果ALMA现在看到的供养内盘的过程,在其他多恒星系统中也在发生,这就意味着未来有大量新的潜在的位置可以去尝试寻找太阳系外行星。

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很可能天文学家只是关注这些星盘太迟了。Manara说,也许有些行星在最初的100万年前就形成了,吸收了大量的气体和尘埃。ALMA已经发现,一些非常年轻的恒星,比如大约10万年的HL
Tauri,其星盘上已经有了环状缺口,这可能表明原行星正在清除它们内部的物质。

调查结果显示:UNLV一年级研究生张尚嘉和天体物理学家/赵桓桓教授领导了一项研究,利用这些ALMA特征发现,在银河系的其他部分,可能存在大量年轻行星

“计算机模拟早就预言,会有物质流经两个盘之间的空隙,但这一特征之前从来没有被观测到过。检测到这些气体团块表明,有物质正在两个盘之间移动,允许一个盘供养另一个盘。”迪特雷解释说,“这些观测数据证明,来自外盘的物质能够在很长一段时间内供养物质内盘。这对于潜在行星的形成过程有着重大的影响。”

这张革命性的新影像,揭示了金牛座HL周围行星形成盘的惊人细节。这颗类似太阳的恒星位于金牛座中,距离地球大约450光年。

恒星诞生于巨大的气体和尘埃云,在其最初阶段,它们被一层薄薄的物质包围着。这里的尘埃颗粒相互碰撞,有时会粘在一起。随后,这些团块堆积成行星核心,然后它们的体积大到足以吸引更多的尘埃和气体,最终形成行星。

  • 类似于海王星或木星的质量 –
    在其他当前行星搜索技术无法探测到的宽轨道上。

这篇论文的合作者伊曼纽尔·迪·福尔科(Emmanuel Di
Folco)总结说,“几乎半数类似太阳的恒星都诞生在双星系统之中。这意味着,我们已经发现了一种供养行星形成的机制,适用于银河系中的大量恒星。我们的观测,朝着真正理解行星形成,迈进了一大步。”(编辑:Steed)

当地时间2014年11月6日,欧洲南方天文台发布金牛座及其原行星盘图片。

“这项工作告诉我们,真的必须重新思考我们的行星形成理论。”未参与该研究的美国芝加哥大学天文学家Gijs
Mulders说。

ALMA可以检测原行星盘中的微小波纹和间隙。“如果这些遥远的恒星有我们的木星或土星的年轻类似物,我们肯定会抓住它们,”张说。

一旦这些行星类天体获得了足够大的质量,它们就会反过来重塑原行星盘的结构。它们会扫清轨道附近的碎屑,把尘埃和气体驱赶到越来越窄的区域之中,从而在原行星盘中形成环带和环隙。

相关论文信息:DOI:10.1051/0004-6361/201732196

在这个特殊的ApJL焦点问题上,UNLV的研究人员还与国际天文学团队合作完成了所有其他九个出版物。

欧洲天文台发布金牛座及原行星盘图像

最后一种可能性是,原行星盘以某种方式吸收了周围星际介质中的额外物质。Manara说,最近的一些模拟显示,年轻的恒星吸收新物质的时间比之前认为的要长得多。他希望借助即将到来的平方公里阵列或詹姆斯:韦伯太空望远镜,科学家能观测到恒星形成的早期阶段,这将有助于他们在这些不同的假设之间做出选择。

了解我们的起源

天文学家认为,所有恒星都是气体尘埃云在自身引力作用下坍缩而形成的,随着时间的推移,恒星周围的尘埃颗粒会粘连在一起,聚集形成砂粒、卵石,以及巨大的石块。最终,这些物质会构成一个薄薄的原行星盘,小行星和行星就在其中形成。

《中国科学报》 (2018-10-18 第3版 国际)

利用强大的阿塔卡马大毫米/亚毫米波阵列望远镜,研究人员已经获得了20张附近原行星盘的高分辨率图像,并为天文学家提供了他们所包含的各种特征以及行星出现速度的新见解。

当地时间2014年11月6日,欧洲南方天文台发布金牛座及其原行星盘图片。ALMA拍摄的最清晰影像,展示了450光年以外一颗年龄不超过100万年的恒星周围,行星正在尘埃气体盘中形成的场景。

但是关于这个过程的许多细节仍然未知,比如行星从盘状物中产生的速度有多快,以及它们在捕获物质方面的效率等。这些盘状物被一层模糊的气体和尘埃包围难以观察。但是射电望远镜可以穿透迷雾,研究年轻的恒星。盘状物中的灰尘发出的无线电波的亮度可以用来估计其整体质量。

“这非常具有挑战性,”他说。“但是,当我们将卵石放入池塘时,它会在池塘中产生涟漪,这些涟漪更加明显。同样,当年轻的行星存在于它的水池中时,它也会激发波浪。这颗行星足够大,这些海浪成为海啸并对光盘造成损害,在行星轨道上形成一个间隙。“

美国国家射电天文台的天文学家克丽丝特尔:布罗根(Crystal
Brogan)说:“这确实是这一波段迄今见过的最不寻常的影像。它展示出来的细节如此细腻,甚至比许多可见光图像更让人印象深刻。我们能够看到行星正在诞生的场景,这一事实不仅将帮助我们理解其他恒星周围行星如何形成,还将帮助我们理解太阳系自身的起源。”(原标题:欧洲天文台发布金牛座及其原行星盘高清图像)

朱比较发现,在这个盘中嵌入了年轻的行星,在水池中找到了一块鹅卵石。

ALMA拍摄的最清晰影像,展示了450光年以外一颗年龄不超过100万年的恒星周围,行星正在尘埃气体盘中形成的场景。

“了解行星的形成与理解我们的起源有关,”朱说。

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天文学家已经在遥远恒星周围的轨道上编目了近4,000颗系外行星。虽然发现这些新发现的世界已经教会了我们很多,但我们还不知道有关行星的诞生以及产生我们已经发现的各种行星体的精确宇宙配方,包括所谓的热木星,巨大的岩石世界,冰冷的矮行星,以及

ALMA在这个恒星系统中发现前所未见的特征,包括多个同心圆环,相互之间被边界清晰的环缝隔开。

  • 希望有一天很快 – 遥远的地球类似物。

美国国家射电天文台台长托尼:比斯利(Tony
Beasley)说:“这个新的观测结果出人意料,为行星形成过程提供了难以置信的影像。想理解我们自己的太阳系如何演化成现在这样,并了解行星在宇宙各个角落又如何形成,这样的清晰度是至关重要的。”

ALMA副主管斯图亚特:科德(Stuartt
Corder)说:“这些特征几乎是年轻的行星状天体在物质盘中成型所带来的必然结果。这让人相当惊讶,因为金牛座HL的年龄还不到100万年,没有人预料到这么年轻的恒星会拥有这么大的行星类天体,能够产生出我们在这张影像中看到的这些结构。”

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如此清晰的影像,过去只在计算机模拟和艺术家的画笔下出现过。

ALMA履行了当初建造它的承诺,提供了最直接的证据,证明我们的宇宙跟理论上的推演极为吻合。

在可见光波段,金牛座HL隐藏在厚厚的一个尘埃气体包层的后面。好在ALMA观测的电磁波波长要比可见光长得多,因此它有能力看穿挡在前面的尘埃,研究这个云团核心处正在发生的物理过程。

国际在线消息:天文学家在测试和检验阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵新的高分辨率性能的时候,在一颗新生恒星周围拍到了迄今最清晰的行星形成景象。

当地时间2014年11月6日,欧洲南方天文台发布金牛座及其原行星盘图片。