行星形成盘的演化方式惊人地相似

这种艺术印象说明了年轻恒星周围的行星形成盘通常是什么样子。 它们最初由灰尘和气体组成,形成密集的材料环。 随着时间的推移,固体成分会变成鹅卵石,最终可以演变成行星。 由于本研究中使用的 ALMA 观测仅对毫米大小的尘埃颗粒敏感,因此具有较大物体甚至行星的进化圆盘会从残余物质中产生相对微弱的信号。 新结果表明,在没有外部辐射的情况下,这些圆盘的演化过程相似。 大约一百万年后,它们中的大多数都没有足够的质量来产生像木星这样的大行星。 然而,这样的行星可能已经在那里形成。 学分:MPIA 图形部门

由马克斯普朗克天文学研究所的 Sierk van Terwisga 领导的一组天文学家分析了猎户座 A 云中 870 多个行星形成盘的质量分布。 通过利用这一史无前例的大样本磁盘的统计特性并开发创新的数据处理方案,他们发现远离炽热恒星等恶劣环境,磁盘质量的下降仅取决于它们的年龄。 结果表明,至少在距离地球 1000 光年的范围内,行星形成盘和行星系统以类似的方式演化。

当今天文学研究中一些最令人兴奋的问题是“其他行星系统是什么样的?” 和“太阳系与其他行星系统的可比性怎样?” 现在,一组天文学家为解决这个难题提供了重要线索。

德国海德堡马克斯普朗克天文学研究所的科学家西尔克·范特维斯加说:“到目前为止,我们还不确定哪些特性主导着年轻恒星周围行星形成盘的演化。” 他是今天发表在《天文学与天体物理学》上的基础研究文章的主要作者。 “我们的新结果现在表明,在没有任何相关外部影响的环境中,观察到的可用于形成新行星的圆盘质量仅取决于星盘系统的年龄,”van Terwisga 补充道。

在研究行星形成盘的演化时,盘质量是关键属性。 这个数量决定了有多少材料可以转化为行星。 根据磁盘的年龄,它还可能提供关于那里已经存在的行星的线索。 来自附近大质量恒星的辐射和风等外部效应显然会影响圆盘的生存。 然而,这样的环境很少见,而且这些过程并没有透露太多关于磁盘本身的信息。 相反,天文学家对内部圆盘的特性更感兴趣,例如年龄、化学成分或带有圆盘的年轻恒星从中出现的母云动力学。

为了解开各种贡献,天文学家团队选择了一个大型且著名的带有圆盘的年轻恒星区域,即猎户座 A 云。 它距离地球大约 1350 光年。 “猎户座 A 为我们提供了前所未有的大样本量,即围绕年轻恒星的 870 多个圆盘。能够根据年龄甚至云内部的本地环境寻找圆盘质量的微小变化至关重要,”阿尔瓦罗奥地利维也纳大学的合著者兼科学家 Hacar 解释说。 该样本来自赫歇尔太空望远镜的早期观测结果,该望远镜可以识别这些圆盘。 结合几个波长提供了一个标准来估计它们的年龄。 由于它们都属于同一个云,天文学家预计化学和云历史变化的影响很小。 他们还通过拒绝距离小于 13 光年的圆盘,避免了附近猎户座星云星团 (ONC) 中大质量恒星的任何影响。

为了测量圆盘质量,该团队使用了位于智利阿塔卡马沙漠查南托高原的阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列 (ALMA)。 ALMA 由 66 个抛物面天线组成,用作具有可调角分辨率的单个望远镜。 科学家们应用了一种观察模式,使他们能够以约 1.2 毫米的波长有效地瞄准每个圆盘。 冷盘在这个光谱范围内很亮。 另一方面,中央恒星的贡献可以忽略不计。 通过这种方法,天文学家确定了圆盘的尘埃质量。 然而,观测对大于几毫米的物体(例如岩石和行星)不敏感。 因此,该团队有效地测量了能够形成行星的圆盘材料的质量。


这张图片描绘了巨大的猎户座 A 恒星形成云,由赫歇尔太空望远镜上的 SPIRE(光谱和光度成像接收器)仪器观测到。 它追踪了冷尘的大规模分布。 猎户座 A 距离我们大约 1350 光年,由标签所示的单个恒星形成区域组成。 用 ALMA 观测到的行星形成圆盘 (+) 的位置被标出,而尘埃质量超过 100 个地球质量的圆盘则显示为蓝点。 著名的猎户座星云在天空中肉眼可见,它拥有猎户座星云星团 (ONC),其中包括几颗发出强烈辐射的大质量恒星。 图片来源:SE van Terwisga 等人/MPIA

在计算圆盘质量之前,天文学家结合并校准了数十台 ALMA 望远镜的数据。 在处理大型数据集时,这项任务变得相当具有挑战性。 使用标准方法,处理收集到的数据需要几个月的时间。 相反,该团队开发了一种使用并行计算机的新方法。 “我们的新方法将处理速度提高了 900 倍,”合作 IT 服务提供商 SURF 的合著者 Raymond Oonk 指出。 完成任务和为后续分析准备数据所需的 3000 CPU 小时在不到一天的时间内就过去了。

总而言之,猎户座 A 包含行星形成盘,每个盘中的尘埃多达数百个地球质量。 然而,在 870 个磁盘中,只有 20 个拥有相当于 100 个地球或更多的尘埃。 一般来说,圆盘的数量会随着质量迅速下降,其中大部分包含少于 2.2 个地球质量的尘埃。 “为了寻找变化,我们解剖了猎户座 A 云并分别分析了这些区域。由于有数百个磁盘,子样本仍然足够大,可以产生具有统计学意义的结果,”van Terwisga 解释说。

事实上,科学家们在猎户座 A 内发现了数十光年尺度上的圆盘质量分布的微小变化。然而,所有这些都可以解释为年龄效应,这意味着在几百万年内,圆盘质量趋于下降老年人口。 在误差范围内,相同年龄的行星形成盘簇表现出相同的质量分布。 发现行星形成盘中的尘埃质量随时间减少并不奇怪。 毕竟,尘埃是行星的原材料之一。 因此,行星的形成肯定会减少自由尘埃的数量。 其他众所周知的过程是尘埃向圆盘中心迁移,以及来自主星辐射的尘埃蒸发。 尽管如此,令人惊讶的是,磁盘质量和年龄之间存在如此强的相关性。

所有这些磁盘都来自现在构成 Orion A 云的同一环境。 这与其他年轻的星盘种群相比怎样? 天文学家通过将他们的结果与附近几个具有行星形成盘的恒星形成区域进行比较来解决这个问题。 除了两个,它们都很好地符合猎户座 A 中发现的质量-年龄关系。“总而言之,我们认为我们的研究证明,至少在接下来的 1000 光年左右,所有行星形成盘的种群都表现出相同特定年龄的质量分布。而且它们似乎或多或少地以相同的方式进化,”van Terwisga 总结道。 结果甚至可能暗示惊人相似的行星系统的形成。

作为下一步,科学家们将在几光年的较小尺度上研究附近恒星可能产生的影响。 虽然他们避免了由 ONC 中的大质量恒星引起的强辐射场,但可能存在较暗的场星,它们可能会影响相邻磁盘中的尘埃并改变磁盘质量统计数据。 这样的贡献可以解释磁盘质量与年龄关系中发现的一些偏差。 这些结果有助于加强由年龄主导的行星形成盘演化的整体情况。