挑战宇宙起源:三个铁环如何重新定义行星形成

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欧洲南方天文台(ESO)的甚大望远镜干涉仪(VLTI)的观测发现了各种硅酸盐化合物和潜在的铁,我们在太阳系的岩石行星中也发现了大量的物质。 图片来源:© Jenry

位于星周盘行星形成带的三环结构,金属和矿物作为行星构件的储存库。

包括马克斯·普朗克天文学研究所(MPIA)的天文学家在内的一个研究小组在一颗年轻恒星的内行星形成盘中的行星苗圃中发现了一个三环结构。 这种配置表明两颗木星质量的行星正在环之间的缝隙中形成。 详细的分析与丰富的固体铁粒相一致,与粉尘成分相辅相成。 因此,该圆盘可能含有类似于太阳系类地行星的金属和矿物。 它提供了类似于40多亿年前早期太阳系的条件,在水星,金星和地球等岩石行星的形成过程中。

行星形成盘中的三个铁环

地球和太阳系的起源激发了科学家和公众的灵感。 通过研究我们的母星和太阳系中其他物体的现状,研究人员已经详细描述了它们在大约45亿年前由尘埃和气体组成的圆盘从围绕婴儿太阳的圆盘演变而来的情况。

 

三环暗示两颗行星

随着针对遥远天体的恒星和行星形成研究取得的惊人进展,我们现在可以研究年轻恒星周围环境的条件,并将其与早期太阳系的条件进行比较。 使用欧洲南方天文台(ESO)的甚大望远镜干涉仪(VLTI),由匈牙利布达佩斯Konkoly天文台的József Varga领导的国际研究小组做到了这一点。 他们观测了大约500光年外的年轻恒星HD 144432的行星形成盘。

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位于智利阿塔卡马沙漠Cerro Paranal山顶的ESO超大望远镜(VLT)鸟瞰图。VLT干涉仪(VLTI)结合了四个望远镜的光线,能够对遥远的天体进行高角分辨率成像。图片来源:G.Hüdepohl (atacamaphoto.com)/ESO

“在研究圆盘最内层区域的尘埃分布时,我们首次发现了一种复杂的结构,在这种环境中,尘埃堆积在三个同心环中,”Roy van Boekel说。他是德国海德堡马克斯普朗克天文研究所(MPIA)的科学家,也是发表在《天文学与天体物理学》杂志上的基础研究文章的合著者。“这个区域对应于太阳系中岩石行星形成的区域,”van Boekel补充道。与太阳系相比,HD 144432周围的第一个环位于水星的轨道内,第二个环靠近火星的轨迹。此外,第三环大致对应于木星的轨道。

到目前为止,天文学家已经发现这种配置主要是在更大的尺度上,对应于土星绕太阳运行的领域。 年轻恒星周围圆盘中的环系统通常指向行星在间隙内形成,因为它们在途中积累了尘埃和气体。然而,HD 144432是这样一个如此复杂的环系统如此接近其主星的第一个例子。它发生在一个富含尘埃的区域,这是像地球这样的岩石行星的组成部分。假设这些环表明存在两颗行星在缝隙中形成,天文学家估计它们的质量大致类似于木星的质量。

条件可能与早期太阳系相似

天文学家确定了整个圆盘的尘埃成分,直到与中心恒星的分离,这对应于木星与太阳的距离。他们的发现对于研究地球和太阳系中岩石行星的科学家来说非常熟悉:地球地壳和地幔中存在的各种硅酸盐(金属 – 硅 – 氧化合物)和其他矿物质,以及可能存在于水星和地球核心中的金属铁。如果得到证实,这项研究将是第一个在行星形成盘中发现铁的研究。

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此图是使用 VLTI 观察到的 HD 144432 磁盘的草图。数据与三个同心环的结构一致。环之间的间隙通常表明大型行星是通过沿着它们围绕主星的轨道积累尘埃和气体而形成的。硅酸盐矿物主要以晶体形式存在于内部热区。VLTI观测值不能约束冷的外盘。图片来源:© J. Varga et al. / MPIA

“到目前为止,天文学家已经用碳和硅酸盐尘埃的混合物解释了尘埃盘的观测结果,这些材料我们在宇宙中几乎随处可见,”van Boekel解释说。然而,从化学角度来看,铁和硅酸盐混合物对于热的内盘区域更合理。事实上,基础研究文章的主要作者Varga应用于数据的化学模型在引入铁而不是碳时产生了更好的拟合结果。

此外,在HD 144432盘中观察到的灰尘在内边缘的温度可能高达 1800 开尔文(约 1500 摄氏度),而在更远的地方则高达 300 开尔文(约 25 摄氏度)。矿物和铁在恒星附近的热区域熔化并重新凝结,通常以晶体的形式凝结。反过来,碳颗粒将无法承受热量,而是以一氧化碳或二氧化碳气体的形式存在。然而,碳可能仍然是冷外盘中固体颗粒的重要成分,为本研究进行的观测无法追踪。

富含铁和贫碳的尘埃也非常适合太阳系的条件。水星和地球是富含铁的行星,而地球的碳含量相对较少。“我们认为HD 144432盘可能与早期的太阳系非常相似,它为我们今天所知道的岩石行星提供了大量的铁,”van Boekel说。“我们的研究可能作为另一个例子,表明我们太阳系的组成可能非常典型。

干涉测量法解决微小细节

只有通过VLTI提供的超高分辨率观测才能检索结果。通过结合ESO帕拉纳尔天文台的四台VLT 8.2米望远镜,他们可以解析细节,就像天文学家使用直径为200米的主镜的望远镜一样。Varga、van Boekel和他们的合作者使用三种仪器获得了数据,以实现从1.6到13微米的宽波长覆盖范围,代表红外光。

MPIA为GRAVITY和Multi AperTure中红外光谱实验(MATISSE)两台设备提供了重要的技术元素。马蒂斯的主要目的之一是研究年轻恒星周围盘状的岩石行星形成区。“通过观察恒星周围原行星盘的内部区域,我们的目标是探索盘中所含各种矿物的起源 – 这些矿物后来将形成地球等行星的固体成分,”MPIA主任兼MATISSE仪器的联合PI托马斯·亨宁说。

然而,用干涉仪生成图像,就像我们习惯于从单个望远镜获得的图像一样,这并不简单,而且非常耗时。更有效地利用宝贵的观测时间来破译物体结构是将稀疏数据与潜在目标配置的模型进行比较。对于 HD 144432盘,三环结构最能代表数据。

结构化的、富含铁的行星形成盘有多常见?

除了太阳系之外,HD 144432似乎提供了在富含铁的环境中形成行星的另一个例子。然而,天文学家不会就此止步。“我们仍然有一些有前途的候选人等待VLTI仔细研究,”van Boekel指出。在早期的观测中,研究小组在年轻恒星周围发现了许多盘状物,这些盘状物表明了值得重新审视的构型。然而,他们将使用最新的VLTI仪器揭示它们的详细结构和化学成分。最终,天文学家也许能够澄清行星是否通常形成于靠近其母星的富含铁的尘埃盘中。

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