科学家发现行星形成争议理论的意外证据

传说艾萨克·牛顿在一次苹果砸到头上后，首次构思了万有引力定律，尽管那个臭名昭著的水果可能 实际上 只是掉在了他旁边的地上。尽管如此，意外和偶然 长期以来在科学进步中发挥着重要作用。

Thayne Currie，一位在NASA艾姆斯研究中心和昴星团望远镜工作的天体物理学家，也经历了这种情况。Currie 可能 发现了 有史以来最年轻的 原行星，以及对一个有争议的行星形成理论的证据，正如最近在《自然天文学》上的一项研究报告所述。

这一切都始于2016年， 当时他试图研究一颗拥有三个可能原行星的恒星。突然，Currie遇到了一个问题。“不知道什么原因，我们的仪器无法很好地锁定住那颗恒星，”他解释说。“这是我当晚的主要计划，所以我不得不立即想出另一个计划。”

意外的发现

他需要收集一些观测数据，虽然不特别在意是哪个星系的。于是他开始寻找另一个目标。AB Aurigae，一颗距离太阳约531光年的年轻恒星，立刻浮现在他的脑海中。他说，这是一个相对容易的目标，因为它“有一个明亮的、结构丰富的原行星盘”。在天体物理学中，结构指的是空间变化，意味着在这个盘中有很多值得观察的东西。

“所以我的想法是，如果我们以这颗恒星为目标，我们会探测到一些东西，它会在某种程度上有所帮助，”Currie指出。“我不知道会是什么，但它会在某种程度上有所帮助。”

其他天文台和仪器之前也检查过Ab Aurigae，但夏威夷毛纳基亚的昴星团望远镜提供了尖端技术。Currie解释说。他还声称，它是地球上最适合自适应光学的设备。

除了AB Aurigae周围的多螺旋盘外，Currie还注意到恒星正南方有一个明亮、奇怪的斑点。他认为这只是盘面的一部分扭曲了，但他和他的同事们在另一组数据中发现了它。Currie的团队随后发现了 另一篇论文 预测在这个位置上有一个行星。

一切看起来都很有希望，但Currie指出，原行星研究领域就像是充满未经证实的主张的坟墓。“这些主张过去常常是错误的，所以你必须格外小心，”他解释说。

然而，哈勃望远镜13年的数据显示，这个假想的原行星正以与盘面一致的逆时针方向绕恒星运行；其他数据表明，这个斑点的亮度与盘面不同。此外，对偏振光强度的分析表明，这个斑点也与盘面是分开的。“这些证据加在一起，让我们有信心认为我们看到的是一个原行星，而不是别的东西，”他说。

而且它也不是普通的任何原行星。除了是迄今为止发现的最年轻的原行星外，它离母星的距离也非常远——整整93个 天文单位 (AU)。他说，这是科学家们第一次有机会探测一个仍然嵌入在形成它的气体和尘埃中的原行星，并为一种有争议的气态巨行星形成理论——盘不稳定性——提供了证据。

气态巨行星的配方

传统的模型，称为核心吸积，解释说行星是在岩石物质碰撞聚集，逐渐增长并获得更多引力而形成的。这是科学家们认为我们太阳系中的岩石行星形成的方式。1980年， 一项理论 由Mizuno Hiroshi提出，他认为足够大的岩石行星，约10个地球质量，将获得足够的引力成为气态巨行星。

但在此情况下，Currie说，考虑到AB Aurigae周围原行星盘的巨大质量以及原行星与恒星的距离，盘不稳定性提供了一个更简单的解释。根据盘不稳定性假说，一个特别巨大的原行星盘，如果远离母星，会足够冷却和广阔，以至于部分盘会因自身的引力而坍缩，形成螺旋臂。从那里，螺旋臂中的微小扰动和不稳定性会产生引力团，吸引物质。这会产生一个失控的效应：随着团块的增长，它的引力也越来越大，并以更快的速度吸引物质。最终，一个新的行星出现。

考虑到AB Aurigae系统有螺旋臂，而Currie团队发现的原行星比木星质量更大，但距离其恒星的距离是木星距离我们太阳的20多倍，他说，“这与我们对盘不稳定的预期相符。”

这对Alan Boss来说是个好消息，他早在1997年就 提出了 盘不稳定性理论。在他加州大学圣巴巴拉分校攻读博士学位期间，他编写了追踪气体和尘埃云在形成恒星系统时坍缩的模型。Boss希望了解原行星盘是如何演化的。但当他运行模型时，他发现有些系统形成了足够大的螺旋臂，可以坍缩成自身。“我并不是想找另一种制造行星的方法，”他解释说，“但我偶然发现了它。”

他把他的理论比作科学界的异端。毕竟，最早的外行星发现似乎挑战了他的理论。天文学家发现的前100颗左右的 热木星 (围绕其母星非常近的巨行星，最容易探测到的外行星类型) 都围绕着含有更多金属或任何比氦重的化学元素的恒星运行。他解释说，这是因为如果你有更多的金属，你就有更多的物质可以通过核心吸积来制造热木星。而且由于天文学家在这些恒星周围发现了更多的行星，这被认为是核心吸积形成这些行星的证据。

“所以看到这些（最近的）结果，看起来确实是一个处于螺旋臂中的原行星，真是令人震惊，”他说。他认为，下一步是确定他们正在研究的质量的大小。因为核心吸积从小处开始并不断增长，而盘不稳定性从大处开始并收缩（随着云的坍缩形成气态巨行星），确定原行星的大小将至关重要。

团块作为证据

AB Aurigae可能拥有更强的证据支持盘不稳定性。Currie的团队在天文上更远的距离，约距离恒星430到580 AU处，标记了两个感兴趣的区域。“形态上，它们看起来像团块，”Currie说，“我们正将它们标记为潜在的行星形成地点。”如果它们确实是原行星，他认为它们不可能通过核心吸积形成。

Boss说，他运行了质量约为1.5个太阳质量的恒星模型，这些恒星比AB Aurigae（质量约为两个太阳质量）小。“我表明，它可以很容易地产生四到五个大的团块，”足够大，可以坍缩成原行星，他说。所以，如果其他那些特征被发现是围绕恒星束缚并运行的，他就会看到盘不稳定的证据。

他指出，Currie团队发现的团块对于行星形成来说太远了，即使是盘不稳定性。但Boss说，“如果它们在那里，而盘不稳定性很难形成它们，那么核心吸积就更难了。”