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行星苗圃探祕:吸積盤內現壯觀瀑布

吸積盤內的氣體如瀑布般流動的特徵顯示新行星正在那裡形成。(NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello)
吸積盤內的氣體如瀑布般流動的特徵顯示新行星正在那裡形成。(NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello)

編譯/笛睿
科學家認為吸積盤——環繞在恆星周圍的氣體和塵埃混合物,是孕育行星的苗圃。最近天文學家通過阿塔卡瑪大毫米波陣列(ALMA)望遠鏡數據,構建出一個行星盤的三維圖,首次發現氣體從行星盤平面的上層向中部傾瀉的運動模式。

行星盤通常由99%的氣體和1%的塵埃組成,並且很厚。多數行星盤的厚度可達其半徑的30%。從ALMA的觀測來看,盤內一氧化碳發出的毫米波長光線很獨特,可以說是最亮的氣體。

去年,兩個天文研究組展示了利用一氧化碳探索新生行星的方法。他們測量一氧化碳氣體在恆星HD 163296周圍吸積盤內旋轉的速度。從局部氣體特殊的運動情況,推斷出那裡有三顆新生的行星。

氣體在三個方向上的運動細節

在今年的新研究中,科學家使用具有更高分辨率的ALMA數據繪出了壯觀的吸積盤,並能看到塵埃中三處明顯的縫隙和環形結構,研究者認為這是行星誕生後在吸積盤留下的印記,並且與去年的研究結果相符。

更重要的是,這份研究測量到氣體在三個方向上運動的細節。

「從這個項目使用的高傳真數據來看,我們測量的不止是一個方向,而是三個方向的速度。我們首次測到了:氣體圍繞恆星旋轉的速度、靠近或遠離恆星的速度、相對吸積盤平面向上或向下運動的速度。」這份研究的主要作者密西根大學(University of Michigan)的蒂格(Richard Teague)說。

吸積盤內氣體如瀑布般傾瀉

蒂格和同事發現,在HD 163296吸積盤內,氣體都有著獨特的運動模式——位於吸積盤平面較上層的氣體,向吸積盤平面的中心位置運動。「我們推測比較可能的情況是,行星誕生後繞著恆星轉,把周圍的塵埃推開了,形成一個空隙,空隙上方的氣體向下坍塌,形成瀑布一樣的效果,並在盤內形成一股氣體對流。」蒂格說。

研究人員計算出這三顆新星中,離恆星最近的一顆的質量為木星的一半;中間的一顆和木星差不多;離恆星最遠的一顆質量為木星的兩倍。

研究者稱,這是目前為止HD 163296系統內新誕生三顆行星的最佳證據,但不能100%斷定氣體流是由行星引起的,恆星的磁場也可能引發氣體流。

吸積盤氣流影響新星大氣

科學家最早在上個世紀90年代,提出吸積盤內氣體存在傾瀉運動,直到這份研究才首次拿出證據。研究者認為,吸積盤內氣流運動,對了解大顆行星的大氣層的誕生過程很重要。

「行星在吸積盤平面的中心地帶,也叫中平面(midplane)誕生。這個區域溫度很低,以抵禦恆星的輻射,」蒂格解釋說,「我們猜想行星誕生後形成的空隙,把位於吸積盤上部區域、溫度高一些的氣體帶進來,上部區域氣體的化學活性更高,而正是這些氣體形成了行星的大氣層。」

合作研究者密西根大學的貝爾金(Ted Bergin)說:「通過這些氣流的特徵,我們可以了解像木星這類行星的誕生過程,並了解誕生初期其大氣的組成。由於行星誕生後其所在地可能發生變化,通過這一點還可能追溯到這些行星的誕生地。」

這份研究近期發表在《自然》(Nature)雜誌上。◇