圖1. 原行星盤藝術圖(圖源:NASA)
在城郊或鄉村的夜晚仰望星空,我們時常會看到有流星劃過,這些像精靈一樣的天體大多來自小行星與彗星,它們散落在太陽系當中,非常容易受到附近較大質量的天體引力影響,從而改變原本的運動軌道,進入大氣層發生劇烈的燃燒,變成美麗的流星。天文學家們根據太陽系小行星和彗星的運動規律,以及物質組成進行對比研究後發現,這些散落在太陽系空間中的“碎石塊”其實是我們太陽系形成過程中遺留的“化石”,它們成分較為單一,主要由含碳、矽酸鹽和金屬的物質組成。從另一個角度來看,它們的存在表明了太陽系行星系統形成前後的景象:那時候的太陽系好似盤古開天闢地之前,還保留著太陽形成後剩餘的物質,是一片氣體和塵埃的“海洋”(見圖1),塵埃與氣體由於太陽引力的作用,像一個扁平的盤子聚集在“黃道面”附近,被稱為原行星盤(protoplanetary disk,見圖2);天文學家對它們如何演變為八顆行星的過程也進行了合理推測:充滿塵埃與氣體的早期太陽系中,物質密度並不是完全均勻的,當一個小區域內的密度相對周圍較大時,就會對周圍的密度較低的物質存在更大的引力作用,從而吸引物質向小區域的中心聚集,這個聚沙成塔的過程叫做吸積。吸積作用產生了行星最原始的核心——星子,它們會不斷試圖吸引身邊更多的物質,在經歷漫長的吸積演化過程後便形成了現在的太陽系八顆行星。
圖2. 阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣(ALMA)觀測的20個原行星盤[1]
關於太陽系行星與系外行星的前世發生了什麼,目前有多種理論解釋,科學家們比較認可的一種假說就是我們前面介紹的吸積理論,他們也在不斷提高望遠鏡的觀測極限,試圖尋找正在形成或處於演化早期的系外行星,為理論模型的大廈添磚加瓦。功夫不負有心人,2019年,一個澳大利亞的研究團隊利用位於智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣 (ALMA)探測到一顆年輕恆星——HD 97048,我們可以看到它的周圍存在氣體和塵埃組成的原行星盤,盤中的縫隙有一顆2.5倍木星質量的行星(見圖3),根據一氧化碳氣流速度的觀測資料,發現了這顆行星對原行星盤存在擾動(見圖4)。這項發現對吸積理論也提供了有利的支援。
圖3. HD 97048原行星盤與行星位置示意圖[2]
圖4. HD 97048原行星盤中的一氧化碳氣流速度影象,白色虛線圓圈內為行星對氣流產生的擾動[2]
探索宇宙和生命的起源是人類本能的好奇心,行星形成與演化過程的研究是解答這個問題的基礎,隨著人類科技的進步,未來我們會對生命賴以生存的家園——行星有更深刻的瞭解。更多精彩內容,請繼續關注觀天者說。
參考:
[1]https://public.nrao.edu/
[2]Pinte, C., van der Plas, G., Menard, F., et al. 2019, Nature Astronomy, 3, 1109
主創簡介
王佳琪,中國科學院國家天文臺在讀博士生,主要從事太陽系外行星觀測與研究。
姜曉軍,中國科學院國家天文臺研究員,中國科學院大學崗位教授。主要從事恆星物理和天文技術研究。
編輯:趙宇豪
[ 責編:蔡琳 ]