宇宙嬰兒學(xué)步：天文學(xué)家首次目睹新太陽系誕生

歐洲南方天文臺(tái)（ESO）研究團(tuán)隊(duì)

圖中編號(hào)為HOPS-315的嬰兒恒星，是天文學(xué)家觀測(cè)到行星形成最早證據(jù)的場(chǎng)所。這張由阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA，ESO參與運(yùn)營(yíng)）拍攝的圖像，結(jié)合詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）數(shù)據(jù)，揭示了熾熱礦物質(zhì)正在固化的現(xiàn)象。橙色部分呈現(xiàn)一氧化碳的分布——它們正以蝴蝶狀星風(fēng)形態(tài)逃離恒星；藍(lán)色部分則顯示一束狹窄的一氧化硅噴流，同樣從恒星噴射而出。此類氣體星風(fēng)與噴流在HOPS-315等新生恒星周圍十分常見。ALMA與JWST的聯(lián)合觀測(cè)表明，除這些特征外，恒星周圍還存在一個(gè)正在凝結(jié)成固體硅酸鹽的氣態(tài)一氧化硅盤——這正是行星形成的初始階段。圖片來源：ALMA(ESO/NAOJ/NRAO) / M. McClure et al.

國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)首次精確捕捉到太陽系外恒星周圍行星開始形成的瞬間。通過歐洲南方天文臺(tái)參與的ALMA望遠(yuǎn)鏡與詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，他們觀測(cè)到行星構(gòu)建物質(zhì)的最初雛形——?jiǎng)傞_始固化的熾熱礦物質(zhì)。這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著人類首次識(shí)別出行星系統(tǒng)如此早期的形成階段，為追溯我們太陽系的過往打開了一扇時(shí)空之窗。

荷蘭萊頓大學(xué)教授、該研究的主要作者梅麗莎·麥克盧爾表示："我們首次確定了太陽系外恒星周圍行星開始形成的最早時(shí)刻。"這項(xiàng)新研究發(fā)表在《自然》雜志上。

美國(guó)普渡大學(xué)教授、合著者梅雷爾·范特霍夫?qū)⑺麄兊陌l(fā)現(xiàn)比作"嬰兒太陽系的照片"，他說："我們看到的這個(gè)系統(tǒng)，就像我們太陽系剛開始形成時(shí)的樣子。"

這個(gè)新生行星系統(tǒng)正圍繞原恒星HOPS-315形成，該恒星距離地球約1300光年，是初生太陽的類比天體。天文學(xué)家常在這種"嬰兒恒星"周圍觀測(cè)到被稱為"原行星盤"的氣體和塵埃盤，那里正是新行星的誕生之地。

盡管天文學(xué)家此前已發(fā)現(xiàn)過包含新生木星般巨大行星的年輕星盤，但麥克盧爾指出："我們始終清楚，行星最早期的固態(tài)組成部分——即'星子'——必然形成于更早階段。"

在太陽系中，最早在地球當(dāng)前軌道位置附近凝結(jié)的固態(tài)物質(zhì)，如今封存在遠(yuǎn)古隕石之中。天文學(xué)家通過測(cè)定這些原始巖石的年齡，確定了太陽系形成的起始時(shí)刻。這類隕石富含含有一氧化硅（SiO）的結(jié)晶礦物，這些礦物能夠在年輕行星盤中的極端高溫環(huán)境下凝結(jié)形成。

隨著時(shí)間的推移，這些新凝結(jié)的固態(tài)物質(zhì)相互結(jié)合，在體積與質(zhì)量增長(zhǎng)的同時(shí)播下了行星形成的種子。太陽系中首批直徑千米級(jí)的微行星——后來成長(zhǎng)為地球等行星或木星核心的天體——正是在這些晶體礦物凝結(jié)后立即形成的。

天文學(xué)家通過最新發(fā)現(xiàn)，在HOPS-315恒星周圍的原行星盤中找到了這些高溫礦物質(zhì)開始凝結(jié)的證據(jù)。研究結(jié)果表明，氣態(tài)氧化硅不僅存在于這顆新生恒星周圍，也存在于這些結(jié)晶礦物內(nèi)部，表明該物質(zhì)剛剛開始固化過程。

"這一過程從未在原行星盤——或太陽系以外的任何地方被觀測(cè)到過，"論文合著者、美國(guó)密歇根大學(xué)教授埃德溫·伯金表示。

這些礦物最初是通過美國(guó)、歐洲和加拿大航天局聯(lián)合研發(fā)的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的。為了精確定位信號(hào)來源，研究團(tuán)隊(duì)使用由歐洲南方天文臺(tái)與國(guó)際合作伙伴在智利阿塔卡馬沙漠聯(lián)合運(yùn)營(yíng)的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）對(duì)該星系進(jìn)行了觀測(cè)。

相關(guān)知識(shí)

借由這些數(shù)據(jù)，該團(tuán)隊(duì)確定，這些化學(xué)信號(hào)來自于該恒星周圍星盤的一個(gè)小范圍區(qū)域，其位置相當(dāng)于太陽系中的小行星帶軌道。

論文合著者、萊頓大學(xué)博士后研究員洛根?弗朗西斯表示：“我們確實(shí)在這個(gè)太陽系外系統(tǒng)中，于一個(gè)特殊的位置觀測(cè)到了這些礦物，而這個(gè)位置，正與我們?cè)谔栂敌⌒行侵邪l(fā)現(xiàn)它們的位置相對(duì)應(yīng)?！?/p>

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正因如此，HOPS-315 的星盤為研究我們自身的宇宙歷史提供了一個(gè)絕佳的參照。正如范特霍夫所言：“就切實(shí)探究我們太陽系中曾發(fā)生過的某些過程而言，該系統(tǒng)是我們目前所知的最佳范例之一?！彼餐ㄟ^作為銀河系中新生太陽系的替代研究對(duì)象，為天文學(xué)家提供了一個(gè)研究早期行星形成的新契機(jī)。

未參與此項(xiàng)研究的歐洲南方天文臺(tái)天文學(xué)家兼歐洲阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列項(xiàng)目經(jīng)理伊麗莎白?漢弗萊斯表示：“這項(xiàng)研究揭示了行星形成的一個(gè)極早期階段，給我留下了極為深刻的印象。它表明，我們可以借助 HOPS-315 來理解我們自身太陽系的形成過程。這一成果凸顯了詹姆斯?韋伯空間望遠(yuǎn)鏡與阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列在探索原行星盤方面相結(jié)合的強(qiáng)大力量?！?/p>

太陽系由太陽及環(huán)繞其運(yùn)行的天體構(gòu)成。其英文名“Solar System”源自拉丁語中對(duì)太陽的稱呼“Sōl”。太陽系形成于約 46 億年前，其時(shí)，一團(tuán)分子云中的某個(gè)致密區(qū)域發(fā)生坍縮，創(chuàng)造出太陽和一個(gè)原行星盤，而環(huán)繞太陽運(yùn)行的各類天體便由此盤集結(jié)而成。太陽核心內(nèi)部，氫聚變?yōu)楹さ倪^程釋放出巨大能量，這些能量主要通過其外層的光球?qū)虞椛涠?。此過程在整個(gè)太陽系內(nèi)創(chuàng)造了一個(gè)由內(nèi)向外遞減的溫度梯度。太陽系總質(zhì)量的 99.86% 以上都集中于太陽。

環(huán)繞太陽運(yùn)行的質(zhì)量最大的天體便是八大行星。按距離太陽由近及遠(yuǎn)的順序，首先是四顆類地行星——水星、金星、地球與火星。僅有地球和火星的軌道位于太陽的宜居帶內(nèi)，在此區(qū)域，天體表面可保有液態(tài)水。在距離太陽約五個(gè)天文單位的霜線以外，分布著兩顆氣態(tài)巨行星——木星與土星——以及兩顆冰巨行星——天王星與海王星。木星與土星占據(jù)了太陽系中所有非恒星天體總質(zhì)量的近 90%。

BY：phys- Stephanie Baum

FY：Astronomical volunteer team

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