哈勃发现可以颠覆行星形成模型的原行星

这是艺术家对一个巨大的、新形成的系外行星 AB Aurigae b 的插图。 研究人员使用来自哈勃太空望远镜和斯巴鲁望远镜的新数据和档案数据来确认这颗原行星是通过一个称为磁盘不稳定性的激烈而剧烈的过程形成的。 磁盘不稳定性是一种自上而下的方法,与占主导地位的核心吸积模型有很大不同。 在这种情况下,围绕恒星的大质量圆盘冷却,重力导致该圆盘迅速分解成一个或多个行星质量碎片。 据估计,御夫座 b 的质量大约是木星的 9 倍,绕其主恒星运行的距离是冥王星距离太阳的两倍。 图片来源:美国宇航局、欧空局、约瑟夫·奥姆斯特德 (STScI)

美国宇航局的哈勃太空望远镜直接拍摄了类似木星的原行星形成的证据,研究人员将其描述为“激烈而剧烈的过程”。 这一发现支持了一个长期争论的关于像木星这样的行星怎样形成的理论,称为“磁盘不稳定性”。

正在建设中的新世界嵌入在一个由尘埃和气体组成的原行星盘中,具有明显的螺旋结构,围绕着一颗估计大约有 200 万年历史的年轻恒星。 那是我们太阳系开始形成行星的年龄。 (太阳系的年龄目前是 46 亿年。)

“大自然很聪明;它可以以各种不同的方式产生行星,”斯巴鲁望远镜的 Thayne Currie 和该研究的首席研究员 Eureka Scientific 说。

所有行星都是由起源于环星盘的材料制成的。 木星行星形成的主要理论被称为“核心吸积”,这是一种自下而上的方法,其中嵌入圆盘中的行星从小物体(尺寸从尘埃颗粒到巨石)生长,在它们围绕恒星运行时碰撞并粘在一起。 然后这个核心慢慢地从圆盘中积聚气体。 相比之下,圆盘不稳定性方法是一种自上而下的模型,当围绕恒星的大质量圆盘冷却时,重力会导致圆盘迅速分解成一个或多个行星质量碎片。

这颗新形成的行星名为 AB Aurigae b,它的质量可能比木星大 9 倍左右,围绕它的主星运行的距离高达 86 亿英里——是冥王星与太阳之间距离的两倍多。 在那个距离上,如果有的话,一颗木星大小的行星通过核心吸积形成需要很长时间。 这使研究人员得出结论,盘的不稳定性使这颗行星能够在如此遥远的距离形成。 而且,这与广泛接受的核心吸积模型对行星形成的预期形成鲜明对比。


没有文字/标记版本。 图片来源:T. Currie/斯巴鲁望远镜

新的分析结合了来自两个哈勃仪器的数据:太空望远镜成像光谱仪和近红外相机和多目标光谱仪。 这些数据与位于夏威夷莫纳克亚山顶的日本 8.2 米斯巴鲁望远镜上最先进的行星成像仪器 SCExAO 的数据进行了比较。 来自太空和地面望远镜的大量数据被证明是至关重要的,因为区分新生行星和与行星无关的复杂圆盘特征非常困难。

“解释这个系统极具挑战性,”Currie 说。 “这就是我们需要哈勃来完成这个项目的原因之一——一张清晰的图像,可以更好地将光线与圆盘和任何行星分开。”

大自然本身也提供了帮助:围绕着 AB Aurigae 恒星旋转的巨大尘埃和气体盘几乎与我们从地球上看到的正面倾斜。

产前原行星颠覆了行星形成模型
斯巴鲁望远镜拍摄的 AB Aurigae 恒星图像,显示了圆盘中的旋臂和新发现的原行星 AB Aur b。 明亮的中央恒星已被遮盖,其位置由星号 (☆) 指示。 显示海王星在太阳系中的轨道大小以提供比例。 图片来源:T. Currie/斯巴鲁望远镜

柯里强调,哈勃望远镜的长寿在帮助研究人员测量原行星轨道方面发挥了特殊作用。 他最初非常怀疑 AB Aurigae b 是一颗行星。 哈勃的档案数据与斯巴鲁的影像相结合,证明是他改变主意的转折点。

“我们无法在大约一年或两年的时间内检测到这种运动,”Currie 说。 “哈勃提供了一个时间基线,结合斯巴鲁的数据,13 年,足以探测到轨道运动。”

“这一结果利用了地面和空间观测,我们可以通过哈勃档案观测及时回到过去,”亚利桑那大学图森分校和夏威夷斯巴鲁望远镜的 Olivier Guyon 补充道。 “AB Aurigae b 现在已经在多个波长下进行了观察,并且已经出现了一致的图片 – 一个非常可靠的图片。”

该团队的研究结果发表在 4 月 4 日的《自然天文学》杂志上。

“这一新发现有力地证明了一些气态巨行星可以通过盘不稳定机制形成,”华盛顿特区卡内基科学研究所的 Alan Boss 强调说。 “最后,重力才是最重要的,因为恒星形成过程的残余物最终会被重力拉在一起形成行星,无论哪种方式。”

了解类木星行星形成的早期阶段,为天文学家提供了更多了解我们太阳系历史的背景信息。 这一发现为未来研究像 AB Aurigae 这样的原行星盘的化学组成铺平了道路,包括使用美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜。