行星是在什么時(shí)候形成的?可能比你想象的還要早。近日，一個(gè)由荷蘭、瑞典和丹麥天文學(xué)家組成的研究小組在《自然·天文》發(fā)表文章稱，對(duì)恒星系統(tǒng)TMC1A的觀測(cè)顯示，行星的孕育過(guò)程早在恒星形成早期就啟動(dòng)了。這更新了人們對(duì)行星形成時(shí)間的認(rèn)識(shí)，而且或許還能解釋木星和土星等巨型行星的形成問(wèn)題。
誕生于原恒星的“胚胎”
最近二十多年來(lái)，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)以千計(jì)的系外行星。統(tǒng)計(jì)研究表明，行星在銀河系中是廣泛存在的，幾乎每一顆類似太陽(yáng)的恒星周圍都可能存在一顆或多顆行星。關(guān)于行星是如何形成的，長(zhǎng)期以來(lái)都是天文學(xué)中一個(gè)重大而基本的問(wèn)題。
經(jīng)過(guò)不懈的努力，天文學(xué)家逐漸勾畫出了行星系統(tǒng)形成的大致輪廓。宇宙空間中的一團(tuán)分子云在引力作用下發(fā)生收縮，在它的中心部分，溫度不斷升高，形成所謂的“原恒星”。而包裹在周圍的物質(zhì)在引力和自轉(zhuǎn)的共同作用下，一邊朝著中心的原恒星下落，同時(shí)逐漸向原恒星的赤道平面方向聚集，形成一個(gè)扁平的原行星盤。此時(shí)原恒星和盤都被包裹在一個(gè)巨大的氣體包層里，如同正在孵化的雞蛋，包層里的氣體還在不斷地下落到原恒星，及其附屬的盤上，天文學(xué)家把這一過(guò)程形象地稱為恒星胚胎的“生長(zhǎng)”。這一階段持續(xù)的時(shí)間大約為1萬(wàn)到10萬(wàn)年。
但是這種生長(zhǎng)并非是無(wú)限持續(xù)的，而是會(huì)由于胚胎自身的原因被打破。在接下來(lái)數(shù)十萬(wàn)到數(shù)百萬(wàn)年的時(shí)間里，隨著原恒星溫度升高，星風(fēng)和紫外輻射越來(lái)越強(qiáng)烈，最終驅(qū)散了包裹在周圍的氣體包層，恒星胚胎破殼而出。但它還不算嚴(yán)格意義上的恒星，因?yàn)闇囟冗€不夠高，不足以引發(fā)氫核聚變。因?yàn)閬G掉了絕大部分的氣體包層，原恒星的質(zhì)量就幾乎不再增長(zhǎng)了，但此時(shí)行星的“種子”——原行星盤中的塵埃粒子卻在不斷碰撞、粘連、融合，逐漸長(zhǎng)大，形成行星的最原始胚胎——“星子”。
略有不足的質(zhì)量估算方法
雖然這個(gè)理論得到了很多觀測(cè)證據(jù)的支持，但是有相當(dāng)多的細(xì)節(jié)還需要完善。其中一個(gè)問(wèn)題是，目前已經(jīng)觀測(cè)到了為數(shù)眾多的年齡大于200萬(wàn)年的“成熟”的原行星盤，它們的平均質(zhì)量只相當(dāng)于海王星，無(wú)法形成像木星和土星這樣的巨行星。這是由于行星是原行星盤中的物質(zhì)聚集而成的，顯而易見行星的質(zhì)量不會(huì)超過(guò)原行星盤的總質(zhì)量。換言之，原行星盤中的物質(zhì)總量決定了行星質(zhì)量的上限。
為了解決這個(gè)矛盾，天文學(xué)家們重新審視了測(cè)量原行星盤質(zhì)量的方法。原行星盤是星際物質(zhì)坍縮、吸積而來(lái)的，星際物質(zhì)包含兩個(gè)部分：氣體和塵埃。其中氣體占大部分，總質(zhì)量大約是塵埃的100倍。然而氣體的主要成分是氫分子(H2)，在低溫時(shí)幾乎不發(fā)出輻射，因此天文學(xué)家往往通過(guò)測(cè)量塵埃在亞毫米波段的熱輻射來(lái)估計(jì)塵埃的質(zhì)量，進(jìn)而根據(jù)氣體和塵埃的比例估算原行星盤的總質(zhì)量。
不過(guò)這種方法需要假設(shè)塵埃粒子是相對(duì)比較“透明”的，而實(shí)際情況是它們的透明度與塵埃粒子的大小、溫度等諸多因素都有關(guān)。如果錯(cuò)誤地估計(jì)了塵埃的透明度，就會(huì)低估行星盤的總質(zhì)量。另一方面，原行星盤中的塵埃相對(duì)于氣體的實(shí)際比率可能遠(yuǎn)低于星際物質(zhì)，這也會(huì)導(dǎo)致得到的總質(zhì)量比實(shí)際情況要低。
另一種更為直接的方法就是觀測(cè)某種氣體分子發(fā)出的譜線來(lái)估算氣體的質(zhì)量，繼而得到盤的總質(zhì)量。一氧化碳(CO)是星際介質(zhì)和原行星盤中廣泛存在的一種分子，其中含量最豐富的CO分子因?yàn)橥该鞫忍�，不適合觀測(cè)，但是由碳和氧的同位素組成的幾種同位素體，例如13CO、C18O則含量適中——既不太高，因而具有足夠高的透明度，又沒有低到無(wú)法觀測(cè)的程度，很適合測(cè)量氣體的總質(zhì)量。
但是CO分子及其同位素體在盤的外側(cè)溫度比較低的地方會(huì)“凍結(jié)”成固態(tài)的干冰，這部分分子就無(wú)法被觀測(cè)到。此外，部分CO分子還會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)換成CO2和一些有機(jī)分子。一些觀測(cè)表明，由這種方法得到的盤質(zhì)量比通過(guò)塵埃得到的結(jié)果還要低。
更早更快的孕育過(guò)程
這次天文學(xué)家觀測(cè)到TMC1A是一個(gè)年輕的低質(zhì)量原恒星系統(tǒng)，帶有一個(gè)半徑為100天文單位(AU，1天文單位為1.496×108千米)的原行星盤，位于著名的金牛座分子云里，距離地球140秒差距(約460光年)，年齡最多只有幾十萬(wàn)年。先前的觀測(cè)表明，這個(gè)原恒星系統(tǒng)被一個(gè)由星際物質(zhì)所組成的巨大的包層所圍繞，包層中的物質(zhì)還在不停地下落到中心的原恒星及其行星盤上，是一顆典型的尚未“破殼而出”的原恒星系統(tǒng)。
2016年，一個(gè)由荷蘭、瑞典和丹麥天文學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)用歐洲南方天文臺(tái)(ESO)的阿塔卡瑪大型毫米亞毫米射電陣列(ALMA)觀測(cè)了TMC1A，以前所未有的分辨率獲取了這個(gè)原恒星系統(tǒng)在毫米波段的圖像。
最近，這個(gè)小組又重新分析了他們的觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在原恒星周圍40AU的范圍內(nèi)存在塵埃的熱輻射，而13CO和C18O這兩種一氧化碳?xì)怏w分子的輻射比塵埃輻射延伸的范圍要大得多，達(dá)到了70AU。但是令人驚訝的是，在行星盤的內(nèi)部，距離中心15AU的范圍以內(nèi)，這兩種氣體分子的輻射都消失了，在圖像上如同出現(xiàn)了一個(gè)“空腔”，這與傳統(tǒng)理論不符。
對(duì)此，最有可能的解釋是在距離中心30AU的范圍內(nèi)，塵埃已經(jīng)通過(guò)互相融合，生長(zhǎng)到了比較大的尺寸，大于1毫米，因此變得非常不透明，以至于完全屏蔽掉了CO同位素體分子的輻射。根據(jù)塵埃的輻射，科學(xué)家估算出這個(gè)原行星盤所包含的塵埃和氣體的總質(zhì)量大約是木星質(zhì)量的幾十倍，足以在將來(lái)形成好幾顆類似木星的巨行星。
考慮到TMC1A是一個(gè)非常年輕的原行星盤系統(tǒng)，這項(xiàng)新的觀測(cè)表明，原行星盤里塵埃粒子的增長(zhǎng)過(guò)程比先前預(yù)想的更早、更快。也就是說(shuō)，在原行星盤演化的早期階段，形成行星的最原始“種子”就已經(jīng)在其中孕育了。這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的主要領(lǐng)導(dǎo)者，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的佩爾·本杰爾克利則表示，這個(gè)現(xiàn)象可以解釋為什么原行星盤可以形成像木星和土星這樣大質(zhì)量的巨行星。
