哈勃观测这颗行星已有 13 年

哈勃最显着的特征可能是它的长寿。 哈勃望远镜已经运行了近 32 年,在那段时间里,它一直为我们提供科学的饮食——以及养眼的食物。 在其 32 年中的 13 年中,它一直在检查一颗在大约 530 光年外的年轻太阳系中形成的原行星。

行星的形成总是一个混乱的过程。 但根据一项新研究的作者,在这种情况下,行星的形成是一个“激烈而剧烈的过程”。

当行星科学家谈论行星形成时,他们大多谈论吸积过程,或所谓的“核心吸积”。 在核心吸积中,行星是通过积累更小的碎片从头开始建造的。 从鹅卵石到巨石——最终是小行星——的一切都在数百万年后碰撞并聚集在一起形成了一颗行星。

对于像木星这样的气态巨行星来说,这意味着形成了一个岩石核心,而这颗发展中的行星会吸引大量的气体包裹在它周围。

但是行星还有另一种形成方式,哈勃望远镜一直在关注一颗原行星,它沿着不同的路径走向行星罩。

一项名为“在 AB Aurigae 周围广泛分离的嵌入木星行星形成的图像”在《自然天文学》杂志上发表了这些观察结果。 主要作者是斯巴鲁望远镜和 Eureka Scientific 的 Thayne Currie。

这个故事中心的明星是 AB 御夫座,御夫座中一颗只有 200 万岁的年轻恒星。 当行星开始围绕太阳形成时,我们的太阳系处于同一时代。 哈勃一直在观察的新生行星被称为 AB Aurigae b。 它是一颗类似于木星的原行星,但质量是木星的九倍。 它以极远的距离绕着它的恒星运行。 它的轨道距离恒星 138 亿公里(86 亿英里),或者说它距恒星的距离是冥王星与太阳的距离的两倍。 换句话说,它距离它的恒星大约 93 个天文单位。

在离它的恒星这么远的地方,由于核心吸积,它不太可能形成。 相反,研究人员认为它是通过磁盘不稳定性形成的。

“自然是聪明的; 它可以以各种不同的方式产生行星,”主要作者柯里说。

哈勃在这些发现中发挥了至关重要的作用,另一台望远镜也是如此:日本的 斯巴鲁望远镜. 它是日本国家天文台的首屈一指的望远镜,围绕着一个 8.2 米的主镜建造。 斯巴鲁望远镜还配备了一种先进的仪器,称为斯巴鲁 Coronagraphic Extreme Adaptive Optics (SCExAO)。SCExAO 是一种最先进的系外行星成像仪器。 这项新研究主要基于 SCExAO 和哈勃两台仪器的数据:太空望远镜成像光谱仪 (STIC) 和近红外相机和多目标光谱仪 (NICMOS)。

由于耀眼的星光以及气体和尘埃的面纱,年轻的太阳系很难观察。 “嵌入在婴儿恒星周围的圆盘中的原行星的直接图像为理解木星等气态巨行星的形成提供了关键,”作者在他们的论文中指出。 但是先进的光谱仪和日冕仪正在进入这个重要的天文学领域。

年轻恒星周围的行星形成盘还包含其他与行星形成无关的复杂盘特征。 辨别行星和这些其他结构需要来自天基和地面望远镜的大量数据。 除了哈勃和双子座,ALMA 等其他设施也提供了数据。

“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,可以更好地将光与圆盘和任何行星分开。”

“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。”

研究人员能够使用哈勃的太空望远镜成像光谱仪 (STIS) 及其近红外相机和多目标光谱仪 (NICMOS) 直接对新形成的系外行星 AB Aurigae b 进行 13 年的成像。 在右上角,哈勃在 2007 年拍摄的 NICMOS 图像显示,御夫座 b 与其主星相比处于正南位置,该主星被仪器的日冕仪覆盖。 STIS 在 2021 年拍摄的图像显示,随着时间的推移,这颗原行星以逆时针方向运动。 学分:科学:NASA、ESA、Thayne Currie(斯巴鲁望远镜、Eureka Scientific Inc.); 图像处理:Thayne Currie(斯巴鲁望远镜,Eureka Scientific Inc.),Alyssa Pagan (STScI)

这个系统中不仅仅是位于 93 au 的巨大的类木星行星。 研究人员还确定了另外两个位于 430-580 au 的候选行星形成地点和盘中的旋臂。 结果显示了类木星气态巨行星的另一种形成方式:通过 磁盘不稳定. “至少有一个团块状的原行星和多个旋臂,AB Aur 系统也可能为长期考虑的木星形成规范模型的替代方案提供证据:盘(引力)不稳定性。”

磁盘不稳定是指一个巨大的星际磁盘坍塌成行星大小的自引力团块。 然后这些团块演变成行星。 理论表明,与核心吸积相比,盘的不稳定性应该在距离恒星更远的地方形成行星。 没有参与这项研究的系外行星天文学家保罗·威尔逊说:“在原行星盘(几十个天文单位)中,盘片碎片预计更容易发生,那里的辐射冷却速率更高。”

研究中的这两张图片提供了更多细节。 左边的图像结合了 ALMA 数据和双子座望远镜上 CHARIS 仪器的数据。 红色区域是一个卵石大小的尘埃环,AB Aurigae b 就位于这个环内。 右边的图像显示了海王星绕太阳的轨道以供比较。 它还显示了圆盘中微弱的螺旋结构。 图片来源:Currie 等人。 2022 年。

“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。”

该研究指出了行星形成路线之间的差异。 不仅在两种不同的模型之间,而且沿着这些路径的行星被检测到的方式也不同。

“几乎所有已知的约 5000 颗间接探测到的系外行星都在太阳系尺度(a < 30 au)上围绕它们的宿主恒星运行,”该论文解释道。 “核心吸积模型,一个年轻的气态巨行星通过缓慢地建立一个多地球质量核心然后迅速吸积原行星盘气体而形成,解释了这些位置的木星和土星等气态巨行星。 相比之下,直接成像的系外行星通常具有 50-300 au 的宽轨道,并且质量比木星大约 5 倍。 磁盘条件可能不允许这些行星中的许多通过核心吸积在原地形成。”

核心吸积似乎是一个平静而近乎和平的过程。 随着时间的推移,更多的物质聚集在一起,变得越来越大,直到没有更多的物质可用,行星最终形成。 当然,碰撞是这个过程的一部分,而且它们可能是猛烈的,就像地球-忒伊亚撞击创造月球的情况一样。

相比之下,磁盘不稳定是一个更加喧闹的过程。 它比几乎庄严的核心吸积过程发生得更快。 甚至可以用激烈和暴力来形容。

“一个合理的替代模型是盘不稳定性:一个剧烈而快速的引力坍缩过程,最适合在约 100 au 处形成超大质量气体巨行星。” 作者写道。

这项研究对我们对太阳系架构的整体理解具有重要意义。 许多系外行星研究分析了完全形成的行星,以试图限制行星的形成。 但是一颗系外行星不一定是在我们发现它的位置形成的。毕竟,木星在进入它现在的位置之前已经穿过太阳系。 “AB Aur b 提供了直接证据,表明在接近 100 天文单位的间隔下可以形成比木星更大的行星,是太阳到冥王星等柯伊伯带天体的距离的两倍多,这与典型的核心吸积形成行星的预期形成鲜明对比模型,”作者在他们的论文中写道。

研究中的这张图显示了 Aur AB b 的两张哈勃图像。 左边是 2007 年的哈勃 NICMOS 图像,右边是 2021 年的哈勃 STIS 图像。洋红色虚线表示 180 度的位置角。 在左侧的较早图像中,Aur AB B 位于该线的左侧,但在右侧的图像中,它位于该线的右侧。 图片来源:Currie 等人。  2022 年。
研究中的这张图显示了 Aur AB b 的两张哈勃图像。 左边是 2007 年的哈勃 NICMOS 图像,右边是 2021 年的哈勃 STIS 图像。洋红色虚线表示 180 度的位置角。 在左侧的较早图像中,Aur AB b 位于该线的左侧,但在右侧的图像中,它位于该线的右侧。 图片来源:Currie 等人。 2022 年。

AB Aurigae 系统也很重要,因为它的年龄很小。 它只有 200 万年的历史,只是另一颗经过充分研究的重要年轻恒星 PDS 70 的一半年龄。PDS 70b 是第一颗直接成像的系外行星。

“最后,这一发现对我们理解行星怎样形成产生了深远的影响,”作者写道。 “AB Aur b 提供了一个关键的直接观察嵌入式原行星的方法
阶段。 因此,它探测了比 PDS 70 系统更早的行星形成阶段。 AB Aur 的原行星盘显示出多个旋臂,AB Aur b 显示为位于这些旋臂附近的空间分辨团块。”

根据作者的说法,这与通过磁盘不稳定性形成的木星模型“惊人地相似”。 这意味着 Aur AB b 可能是我们第一个直接证明行星形成的盘不稳定机制的证据。

但这可能不会是我们的最后一次。

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