年轻的混乱星系系统揭示了行星形成的秘密

年轻恒星Elias 2 27气体速度发射

利用气体速度数据,观测伊莱亚斯2-27的科学家能够直接测量这颗年轻恒星的原行星盘的质量,也能追踪到恒星系统中的动态扰动。在这个复合材料面板中可见的是0.87mm的连续尘埃排放数据(蓝色),以及来自气体C18O(黄色)和13CO(红色)的排放。信贷:阿尔玛(ESO / NAOJ / NRAO) / T。Paneque-carreño(智利大学),B. Saxton(Nrao)

对年轻恒星物体伊莱亚斯2-27的新观测证实了引力的不稳定性和行星形成盘的质量是形成巨行星的关键。

一个科学家团队使用Atacama大型毫米/亚瑟姆阵列(ALMA)学习年轻星级Elias 2-27已经证实,引力稳定性在行星形成中发挥着关键作用,并且第一次直接测量了原始磁盘的质量使用气体速度数据,潜在地解锁行星形成的一个谜团。该研究的结果今天(6月17日,2021年)发表于两篇论文中天体物理学杂志》上

原行星盘——由环绕在新形成的年轻恒星周围的气体和尘埃组成的行星形成盘——被科学家们称为行星的诞生地。然而,行星形成的确切过程仍然是个谜。领导的新研究,特蕾莎修女Paneque-Carreno——最近的智利大学的研究生和博士生莱顿大学和欧洲南方天文台和两篇论文的主要作者在第一——关注打开神秘的行星形成的。

引力不稳定很重要

Elias 2-27是一名年轻的明星,距离地球仅有378次轻盈。该星是宿主的气体和灰尘的大规模原子,其中一个关键元素到行星形成。在该图示中,灰尘沿着2016年Elias 2-27首次发现的螺旋形形态分布。沿着螺旋臂发现较大的粉尘颗粒,而较小的粉尘晶粒在原始盘周围分布。在研究期间也检测到气体的不对称流入,表明可能仍然有物质被置于磁盘中。科学家认为,伊莱亚斯2-27最终可能会进入行星系统,引力稳定性导致形成巨星的形成。因为这个过程需要数百万年来发生,因此科学家只能观察开始阶段。信用:B. Saxton Nrao / AUI / NSF

在观测过程中,科学家们证实了伊莱亚斯2-27恒星系统——一个年轻的恒星,位于蛇夫座,距离地球不到400光年——展示了引力不稳定的证据,当形成行星的盘携带了该系统大部分恒星质量时,就会发生这种情况。“行星究竟是如何形成的是我们这个领域的主要问题之一。然而,我们相信有一些关键的机制可以加速行星的形成过程,”Paneque-Carreño说。“我们在伊莱亚斯2-27中发现了引力不稳定的直接证据,这是非常令人兴奋的,因为这是我们第一次可以展示一个系统引力不稳定的运动学和多波长证明。以利亚2-27是第一个符合所有条件的系统。”

Elias 2-27的独特特性使它在ALMA科学家中流行了五年多。2016年,一组科学家利用ALMA发现了一个围绕这颗年轻恒星旋转的尘埃风车。螺旋状星系被认为是密度波的结果,通常被认为产生了螺旋星系的可识别臂——比如银河系——但在那时,还从未在单个恒星周围看到过。

Elias 2 27气体速度排放

利用气体速度数据,观测伊莱亚斯2-27的科学家能够直接测量这颗年轻恒星的原行星盘的质量,也能追踪到恒星系统中的动态扰动。在此动画中可见,是灰尘连续管0.87mm排放数据(蓝色),以及气体C18O(黄色)和13Co(红色)的排放。信贷:阿尔玛(ESO / NAOJ / NRAO) / T。Paneque-carreño(智利大学),B. Saxton(Nrao)

“我们在2016年发现,伊莱亚斯2-27盘有一个不同于其他已经研究过的系统的结构,这是以前在原行星盘中没有观察到的:两个大规模的螺旋臂。引力不稳定性是一种很强的可能性,但这些结构的起源仍然是一个谜,我们需要进一步的观察,”智利大学助理教授、2016年这项研究的首席研究员Laura Pérez说。她与合作者一起提出了对多个ALMA谱带的进一步观察,并将其作为她在智利大学的硕士论文的一部分,通过Paneque-Carreño进行了分析。

除了证实引力的不稳定性,科学家们还发现了星系中超出理论预期的扰动。“可能还有来自周围分子云的新物质落在圆盘上,这使一切更加混乱,”Paneque-Carreño说,并补充说这种混乱促成了以前从未观察到的有趣现象,科学家也没有明确的解释。“伊莱亚斯2-27星系的气体结构高度不对称。这完全出乎意料,这是我们第一次在原行星盘上观察到这种垂直不对称性。”

佐治亚大学计算天体物理学助理教授、该研究的合著者卡桑德拉·霍尔补充说,垂直不对称和速度扰动的证实——这是与原行星盘的螺旋结构有关的第一个大规模扰动可能对行星形成理论有重大影响。“这可能是引力不稳定的确凿证据,它可能会加速行星形成的一些早期阶段。”我们在2020年首次预测了这个特征,从计算天体物理学的角度来看,这是令人兴奋的。”

Paneque-Carreño补充说,虽然新研究证实了一些理论,但也提出了新的问题。“虽然引力不稳定性现在可以被证实解释恒星周围尘埃连续体中的螺旋结构,但圆盘上还有一个内部空隙,或者说缺失的物质,对此我们还没有明确的解释。”

理解行星形成的一个障碍是缺乏对行星形成盘的质量的直接测量,这是新研究中要解决的一个问题。ALMA波段6的高灵敏度,以及与之配对的波段3和7,使研究小组能够更密切地研究动力学过程、密度,甚至圆盘的质量。

“以前对原行星盘质量的测量是间接的,仅基于尘埃或稀有的同位素。有了这项新研究,我们现在对这个圆盘的整个质量都很敏感,”贝内代塔·维罗内西说。他是米兰大学的一名研究生,也是École normale supérieure de Lyon的博士后研究员,也是第二篇论文的第一作者。

“这一发现为衡量磁盘质量的方法奠定了基础,以便我们将我们分解行星形成领域的最大和最紧迫的障碍之一。了解行星形成盘中存在的质量量允许我们确定用于形成行星系统的材料的数量,并更好地理解它们形成的过程。“

虽然团队已经回答了一些关于引力不稳定和磁盘块在地球形成中的作用的关键问题,但工作尚未完成。“研究行星的形式是困难的,因为它需要数百万年来形成行星。这是一个非常短的恒星的时间尺度,它占星数百万年,但对我们来说是一个很长的过程,“Paneque-Carreño说。

“我们能做的是观察年轻的恒星,它们周围有气体和尘埃盘,并试图解释为什么这些物质盘看起来是这样的。”这就像看着犯罪现场,试图猜测发生了什么。我们对伊莱亚斯2-27的观测分析与未来的深入分析将使我们能够准确描述重力不稳定性是如何在行星形成盘中作用的,并对行星是如何形成有更多的了解。”

引用:

“螺旋臂和带有非KEPLERIAN运动学的巨大粉尘盘:ELIAS磁盘中的引力不稳定的可能证据2-27”6月2021年6月17日,天体物理学杂志》上
arXiv: 2103.14048

“伊莱亚斯圆盘质量的动态测量2-27”6月2021年6月17日,天体物理学杂志》上
arXiv: 2104.09530

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