两个独立的天文学家小组发现了令人信服的证据，证明三颗年轻行星围绕着一颗被称为HD 163296的恒星运转。天文学家采用一种新的行星发现策略，在一颗年轻恒星的充满气体的圆盘中发现了三种离散的扰动：迄今为止最有力的证据表明，新形成的行星正在那里的轨道上运行。在过去的几年里，阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)已经改变了我们对围绕年轻恒星的原行星行星——充满气体和尘埃的行星工厂的理解。这些圆盘上的光环和空隙为行星的存在提供了有趣的环境证据。然而其他现象可以解释这些诱人的特征。
围绕着一颗年轻恒星形成的原行星概念图。图片：NRAO/AUI/NSF; S. Dagnello
两组天文学家利用一种新的行星搜寻技术，在原行星盘内识别出不寻常的气体流动模式，确认了新形成的行星围绕着我们星系中的一颗婴儿恒星运转的明显的、有证据的特征。这些结果发表在《天体物理学杂志快报》上的两篇论文中。密歇根大学的天文学家理查德·梯格说：我们观察了恒星原行星盘中局部的、小规模的气体运动。为了实现各自的发现，每个研究小组分析了各种阿尔玛观测到的年轻恒星HD 163296的数据。HD 163296大约有400万年的历史，距离地球约330光年，位于人马座的方向上。
天文学家没有把注意力集中在圆盘内的尘埃上，这在早期的阿尔玛观测中得到了清晰的影像，相反，他们研究了整个圆盘中一氧化碳气体的分布和运动。CO分子自然地发出一种非常独特的毫米波长的光，ALMA可以观察到。由于多普勒效应，光线波长的细微变化提供了对圆盘中气体运动的一瞥。如果没有行星，气体就会以一种非常简单、可预测的模式围绕恒星运动，这种模式被称为开普勒旋转。澳大利亚莫纳什大学(Monash University)的克里斯托夫·平特(Christophe Pinte)表示：这将需要一个相对巨大的物体，像一个行星，在这个有序的运动中产生局部扰动。我们的新技术应用了这一原理来帮助我们理解行星系统是如何形成的。
阿尔玛的早期恒星HD 163296周围的原行星盘图像。图片：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); A. Isella; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)
Teague领导的研究小组在圆盘上发现了两种不同的类行星模式，一种是距恒星约80天文单位(AU)，另一种是140天文单位(AU)。(天文单位是地球到太阳的平均距离，约为1.5亿公里。)另一个由平特带领的团队发现了第三颗恒星，距离恒星约260 AU。天文学家计算出这三颗行星的质量与木星相似。这两支队伍采用了相同技术的变化，他们观察了气体流动中的异常现象——正如所看到的CO排放量变化的波长——这表明它与一个巨大的物体相互作用。蒂格和他的团队测量了气体速度的变化。这揭示了多颗行星对靠近恒星的气体运动的影响。Pinte和他的团队更直接地测量了气体的实际速度，这对于研究圆盘的外部更有利，也能更准确地确定一个潜在行星的位置。
检测原行星
尽管在过去的几十年里已经发现了成千上万颗系外行星，但探测原行星是在科学的前沿，目前用于在完全形成的行星系统中发现系外行星的技术——比如测量恒星的摆动或者凌日行星如何降低恒星的亮度——并不适合探测系外行星。阿尔玛的HD 163296和其他类似系统的惊人图片揭示了有趣的同心圆模式和原行星盘的间隙。这些空隙可能是原始行星将尘埃和气体从轨道上冲走的证据，其中一些尘埃和气体会进入它们自己的大气层。先前对这颗恒星圆盘的研究表明，尘埃和气体间隙重叠，表明至少有两颗行星在那里形成。然而，蒂格指出，这些最初的观测只是提供了间接证据，不能用来准确估计行星的质量。由于其他的机制也会在原行星盘上产生环隙，所以我们无法断定行星仅仅是通过观察圆盘的整体结构而存在的。
最新的创新
天文学家指出，更有说服力的探测的关键在于梳理出一氧化碳气体的细微速度特征。尽管尘埃在行星形成中扮演着重要角色，并提供了无价的信息，但气体占原行星盘质量的99%，”卡内基科学研究所的联合作者Jaehan Bae说。因此研究气体的运动学是至关重要的。由于多普勒效应，气体从原行星盘发出的光会根据气体相对于地球的运动而改变其波长。“这类似于多普勒技术用于发现完全形成的行星，”Flatiron研究所的共同作者Dan Foreman-Mackey说。“尽管我们并不是在观察恒星摆动时波长的变化，而是深入到盘的深处，看看细微的变化是如何发生的。
阿尔玛发现了令人信服的证据，证明三颗年轻的行星围绕着幼小的恒星HD 163296运转。利用一种新的行星探测技术，天文学家已经确定了年轻恒星的充气圆盘上的三次离散扰动:最有力的证据表明新形成的行星在轨道上运行。这些被认为是阿尔玛发现的第一颗行星。这张图片显示了阿尔玛数据集的一部分，在一个波长，并揭示了一个清晰的“扭曲”在材料，明确地指出存在一个行星。图片：ESO, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); Pinte et al.
阿尔玛惊人的分辨率使研究人员能够测量整个圆盘的一氧化碳速度模式。精确度令人难以置信，”慕尼黑大学天文台的共同作者Til Birnstiel说。在一个气体以每秒5公里的速度旋转的系统中，阿尔玛发现速度变化很小，只有每秒几米。这让我们能够发现，在一个圆盘上，与预期的正常旋转有很小的偏差。行星在它们的轨道附近改变气体的密度，从而改变气体的压力，导致相应的速度变化。莫纳什大学的丹尼尔·普赖斯说：我们将观测结果与计算机模型进行了对比，结果表明观测到的流动与围绕一颗新生行星的流动模式的预测非常吻合，其质量是木星的几倍。”这项新技术使天文学家能够更精确地估计原行星的质量，并且不太可能产生假阳性结果。密歇根大学的Ted Bergin说：我们正在把阿尔玛带到行星探测领域。
通常在科学中，想法是行不通的，或者假设是错误的，这是一个结果比我想象的要令人兴奋得多的例子。法国格勒诺布尔大学的合著者Francois Menard说：这些研究还将帮助我们了解太阳系中的行星是如何诞生的。这两个团队将继续改进这种方法，并将其应用到其他磁盘上，在那里他们希望更好地了解大气是如何形成的，以及在其诞生时，哪些元素和分子被送到了一个行星上。这项研究发表在《天体物理学杂志快报》的同一版上的两篇论文中。第一个是由C. Pinte等人命名的“环绕恒星盘中嵌入的原行星的运动学证据”，第二个是R. Teague等人的“两个不可见的木星质量嵌入的原行星的运动学检测”。
博科园-科学科普｜参考期刊文献：天体物理学快报｜来自：国家射电天文台
网友评论