先有恆星再有行星？行星種子比你想的更「早育」
先有恆星再有行星？行星種子比你想的更「早育」
行星是在什麼時候形成的？可能比你想像的還要早。近日，一個由荷蘭、瑞典和丹麥天文學家組成的研究小組在《自然·天文》發表文章稱，對恆星系統TMC1A的觀測顯示，行星的孕育過程早在恆星形成早期就啟動了。這更新了人們對行星形成時間的認識，而且或許還能解釋木星和土星等巨型行星的形成問題。
誕生於原恆星的「胚胎」
最近二十多年來，天文學家已經發現了數以千計的系外行星。統計研究表明，行星在銀河系中是廣泛存在的，幾乎每一顆類似太陽的恆星周圍都可能存在一顆或多顆行星。關於行星是如何形成的，長期以來都是天文學中一個重大而基本的問題。
經過不懈的努力，天文學家逐漸勾畫出了行星系統形成的大致輪廓。宇宙空間中的一團分子雲在引力作用下發生收縮，在它的中心部分，溫度不斷升高，形成所謂的「原恆星」。而包裹在周圍的物質在引力和自轉的共同作用下，一邊朝著中心的原恆星下落，同時逐漸向原恆星的赤道平面方向聚集，形成一個扁平的原行星盤。此時原恆星和盤都被包裹在一個巨大的氣體包層里，如同正在孵化的雞蛋，包層里的氣體還在不斷地下落到原恆星，及其附屬的盤上，天文學家把這一過程形象地稱為恆星胚胎的「生長」。這一階段持續的時間大約為1萬到10萬年。
但是這種生長並非是無限持續的，而是會由於胚胎自身的原因被打破。在接下來數十萬到數百萬年的時間裡，隨著原恆星溫度升高，星風和紫外輻射越來越強烈，最終驅散了包裹在周圍的氣體包層，恆星胚胎破殼而出。但它還不算嚴格意義上的恆星，因為溫度還不夠高，不足以引發氫核聚變。因為丟掉了絕大部分的氣體包層，原恆星的質量就幾乎不再增長了，但此時行星的「種子」——原行星盤中的塵埃粒子卻在不斷碰撞、粘連、融合，逐漸長大，形成行星的最原始胚胎——「星子」。
略有不足的質量估算方法
雖然這個理論得到了很多觀測證據的支持，但是有相當多的細節還需要完善。其中一個問題是，目前已經觀測到了為數眾多的年齡大於200萬年的「成熟」的原行星盤，它們的平均質量只相當于海王星，無法形成像木星和土星這樣的巨行星。這是由於行星是原行星盤中的物質聚集而成的，顯而易見行星的質量不會超過原行星盤的總質量。換言之，原行星盤中的物質總量決定了行星質量的上限。
為了解決這個矛盾，天文學家們重新審視了測量原行星盤質量的方法。原行星盤是星際物質坍縮、吸積而來的，星際物質包含兩個部分：氣體和塵埃。其中氣體佔大部分，總質量大約是塵埃的100倍。然而氣體的主要成分是氫分子(H2)，在低溫時幾乎不發出輻射，因此天文學家往往通過測量塵埃在亞毫米波段的熱輻射來估計塵埃的質量，進而根據氣體和塵埃的比例估算原行星盤的總質量。
不過這種方法需要假設塵埃粒子是相對比較「透明」的，而實際情況是它們的透明度與塵埃粒子的大小、溫度等諸多因素都有關。如果錯誤地估計了塵埃的透明度，就會低估行星盤的總質量。另一方面，原行星盤中的塵埃相對於氣體的實際比率可能遠低於星際物質，這也會導致得到的總質量比實際情況要低。
另一種更為直接的方法就是觀測某種氣體分子發出的譜線來估算氣體的質量，繼而得到盤的總質量。一氧化碳(CO)是星際介質和原行星盤中廣泛存在的一種分子，其中含量最豐富的CO分子因為透明度太低，不適合觀測，但是由碳和氧的同位素組成的幾種同位素體，例如13CO、C18O則含量適中——既不太高，因而具有足夠高的透明度，又沒有低到無法觀測的程度，很適合測量氣體的總質量。
但是CO分子及其同位素體在盤的外側溫度比較低的地方會「凍結」成固態的乾冰，這部分分子就無法被觀測到。此外，部分CO分子還會發生化學反應，轉換成CO2和一些有機分子。一些觀測表明，由這種方法得到的盤質量比通過塵埃得到的結果還要低。
更早更快的孕育過程
這次天文學家觀測到TMC1A是一個年輕的低質量原恆星系統，帶有一個半徑為100天文單位(AU，1天文單位為1.496×108千米)的原行星盤，位於著名的金牛座分子雲里，距離地球140秒差距(約460光年)，年齡最多只有幾十萬年。先前的觀測表明，這個原恆星系統被一個由星際物質所組成的巨大的包層所圍繞，包層中的物質還在不停地下落到中心的原恆星及其行星盤上，是一顆典型的尚未「破殼而出」的原恆星系統。
2016年，一個由荷蘭、瑞典和丹麥天文學家組成的團隊用歐洲南方天文台(ESO)的阿塔卡瑪大型毫米亞毫米射電陣列(ALMA)觀測了TMC1A，以前所未有的解析度獲取了這個原恆星系統在毫米波段的圖像。
最近，這個小組又重新分析了他們的觀測數據，發現在原恆星周圍40AU的範圍內存在塵埃的熱輻射，而13CO和C18O這兩種一氧化碳氣體分子的輻射比塵埃輻射延伸的範圍要大得多，達到了70AU。但是令人驚訝的是，在行星盤的內部，距離中心15AU的範圍以內，這兩種氣體分子的輻射都消失了，在圖像上如同出現了一個「空腔」，這與傳統理論不符。
對此，最有可能的解釋是在距離中心30AU的範圍內，塵埃已經通過互相融合，生長到了比較大的尺寸，大於1毫米，因此變得非常不透明，以至於完全屏蔽掉了CO同位素體分子的輻射。根據塵埃的輻射，科學家估算出這個原行星盤所包含的塵埃和氣體的總質量大約是木星質量的幾十倍，足以在將來形成好幾顆類似木星的巨行星。
考慮到TMC1A是一個非常年輕的原行星盤系統，這項新的觀測表明，原行星盤裡塵埃粒子的增長過程比先前預想的更早、更快。也就是說，在原行星盤演化的早期階段，形成行星的最原始「種子」就已經在其中孕育了。這個研究團隊的主要領導者，瑞典查爾姆斯理工大學的佩爾·本傑爾克利則表示，這個現象可以解釋為什麼原行星盤可以形成像木星和土星這樣大質量的巨行星。
(作者系德國馬普地外物理所博士後)
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