地球是如何诞生的?根据这个神奇现象,我们或许已经找到了答案

2020-11-24 18:03:05 科学鸽

地球这样的岩石星球是如何形成的?其实就像滚雪球一样,行星由围绕在年轻恒星周围的尘埃和气体逐渐聚合形成。

当行星绕初生的太阳运行时,它的引力会吸引更多物质,从而使它们的质量不断增大,直到让一个恒星系内大部分星际尘埃和气体被兼并吸收,行星与行星轨道之间的空间变得空旷无比。

但它们最早是从什么时候开始的呢?

最年轻的恒星系

以往科学家不确定在新恒星的行星的形成过程是何时开始的,但是近日天文学家在《自然》杂志宣布发现了一个生动的案例,一个名叫IRS 63的年轻恒星系,正在给我们演绎成熟恒星系的诞生过程。

比如地球、火星这样的岩石星球什么原因和条件形成的,木星那样的气态巨行星又是怎么形成的。

这个恒星系是天文学家目前发现的最年轻的恒星系,只有五十万年的历史,它位于蛇夫座ρ星云复合体。

这个由气体和尘埃组成的星云,是离太阳系最近的恒星形成区之一,只有460光年。

在年轻恒星周围旋转的是由星际尘埃和气体组成的巨大星盘,我们称它为星周盘。星周盘致密到足以不透明,甚至遮挡了年轻太阳的部分可见光。

不过这颗年轻恒星发出的能量加热了尘埃,然后发出红外辐射,让它在星际看起来更显眼。

行星的形成是在什么时候开始的?

天文学家以前观察到的最年轻的恒星星周盘有100万年的历史,有证据表明那时候行星已经形成。

但还是有点太老了,人们想要看到行星诞生的那一刻!

最近观测到的IRS 63的年龄确切来说还没有50万岁,但显示出可能要形成行星的迹象。

发现IRS 63的是南美洲的阿塔卡马射电望远镜阵列,星周盘半径达到82AU(天文单位:地球-太阳平均距离1.5亿公里)。

虽然年轻的原恒星有不少,但是它们的观测条件很差,研究它们没什么意义。

IRS 63就要友好很多,星周盘向我们地球的方向倾斜45度,可以清晰的看到太阳系形成的早期阶段。

天文学家塞古拉.考克斯认为无论IRS 63的星周盘中是否已经存在行星,但已经可以断言行星的形成开始于年轻的原恒星阶段,比目前行星形成理论所预测的时间要早。

其天文研究小组对星周盘神奇现象的四个关键特征做了划分,两个环(R1和R2)和两条间隙(G1和G2)。

内环R1半径为27AU,宽度为6AU, R2半径为51AU,宽度为13AU。G1半径为19AU,宽度为3.2AU, G2半径为37AU,宽度为4.5AU。

这些间隙和环的特征可能是行星形成过程的外部表现。

天文学家在以往更成熟的恒星的星周盘中观察到这些间隙是由原行星造成的,原行星的引力作用让尘埃形成清晰可见的环,行星在运行轨道上划出了一个个间隙。

原行星更大的引力吸引了星周盘更轻的物质,并将其与原行星结合在一起,所以造成了其运行轨道上星际尘埃的消失,也就变得透明。

在更成熟的II类星周盘中,间隙部分几乎没有尘埃发射出来的红外辐射,这意味着那些间隙区已经几乎没有尘埃。不过从IRS 63的缝隙中仍然可以观察到红外辐射,表明缝隙中仍有大量尘埃。

假如这些空隙是由原行星产生,那么它们的大小现在就可以估计出来。G1间隙的行星质量约为木星的0.47倍,G2的行星质量约为木星的0.31倍。

在天文学家的行星形成模型中存在一个问题称为“径向漂移问题”:星周盘中的尘埃之间的摩擦产生了阻力,导致尘埃失去动量,轨道半径不断减小,最终被恒星吸收。

但是观测结果显示,一定有一个自然的过程来阻止星周盘中的尘埃进入原恒星,不然物质都被太阳吸收了,拿什么来构筑行星?

岩石行星与气态巨行星的诞生

根据研究IRS 63的天文学家推测,这些环是由尘埃向内下落时,环绕恒星的挥发性气体受到恒星能量的作用下膨胀,气体向外推,让尘埃无法向内下落,形成了一个尘埃聚集区,比如R1环。

然后尘埃不断在这个区域堆积,大尘埃吸引小尘埃,聚集成岩石行星。

因为这个恒星系太年轻了,如果行星的形成已经在IRS 63的星周盘上开始,那么行星和原恒星很可能从早期开始就在一起成长和演化,因为星际尘埃的遮蔽,今天的技术手段是无法直接观测到它们。

IRS 63的图像显示在靠近原恒星的地方,气体被来自恒星的能量加热和激发,这样气体质量与尘埃相比小得多,不能聚合形成原行星。

这些气体在恒星能量的作用下膨胀扩散,阻挡星际尘埃下降的同时远离到恒星的“雪线”半径之外,在那里它们冷却并聚集,而更重的尘埃继续向内侧下落,最终形成尘埃少气体多的区域,也就是G1、G2这样的间隙区。

拿太阳系的气态巨行星木星来说,目前它的轨道为5.2 AU,但模拟表明它早期形成于更遥远的地方,接近30AU,然后随着时间的推移向内迁移。

如果IRS 63星周盘的间隙拥有大量气体,那么它就能解释气态巨行星的诞生位置和原因,气态行星比岩石行星更先显露它们的尊荣。

形成地球这样的岩石行星需要更重的星际尘埃,未来它们很可能从IRS 63的R1、R2这样的环状尘埃区中脱颖而出。

(图片来自网络,如侵删)

参考资料:
Four annular structures in a protostellar disk less than 500,000 years old.Dominique M. Segura-Cox.

universetoday.com/148628/the-youngest-stellar-disk-ever-seen-just-500000-years-old/

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