为什么巨行星的形成可能比我们想象的更快

这些发表在《天体物理学杂志》（Astrophysical Journal）特刊12篇论文中的发现，是名为“ALMA原行星盘气体演化巡天”（AGE-PRO）的大型项目的一部分。AGE-PRO观测了30个围绕类太阳恒星运行的行星形成盘，以测量不同年龄的气体盘质量。研究揭示了这些盘中的气体和尘埃组分以不同的速率演化。

该项目首席研究员、威斯康星大学麦迪逊分校的张科（Ke Zhang）表示，此前的ALMA观测已研究了盘中尘埃的演化；而AGE-PRO首次追踪了气体的演化，提供了行星形成盘整个生命周期中气体盘质量和尺寸的首批测量数据。

亚利桑那大学行星科学教授、AGE-PRO三位共同首席研究员之一的伊拉里亚·帕斯库奇（Ilaria Pascucci）说：“现在我们对气体和尘埃都有了观测数据。观测气体要困难得多，因为它需要多得多的观测时间，这就是为什么我们必须开展这样的大型项目才能获得具有统计显著性的样本。”

原行星盘围绕其宿主恒星旋转数百万年，期间其气体和尘埃不断演化和消散，这为巨行星的形成设定了时间表。盘的初始质量和尺寸及其角动量，对可能形成的行星类型——气态巨行星、冰质巨行星或迷你海王星——以及行星的迁移路径具有深远影响。盘内气体的寿命决定了尘埃粒子增长到小行星大小物体的时间尺度、行星的形成以及最终行星从诞生地迁移的时间尺度。

在该巡天最令人惊讶的发现之一中，团队发现随着盘的年龄增长，其气体和尘埃以不同的速率被消耗，并在演化过程中经历气体-尘埃质量比的转变：与尘埃倾向于在更长时间内保留在盘中不同，气体消散相对较快，然后随着盘的老化而减缓。换句话说，行星形成盘在年轻时释放出更多的气体。

张科表示，最令人惊讶的发现是，尽管大多数盘在几百万年后消散，但存活下来的盘的气体含量比预期的要多。这意味着像木星这样的气态行星的形成时间比岩质行星更短。

ALMA独特的灵敏度使研究人员能够利用微弱且所谓的分子谱线来研究这些盘中的冷气体，这些光谱的特征波长本质上充当“指纹”，用于识别不同种类的气体分子。AGE-PRO作为首个此类大规模化学巡天项目，瞄准了三个恒星形成区中年龄从100万年至600万年的30个行星形成盘：蛇夫座（最年轻）、豺狼座（100-300万年）和天蝎座上区（最年老）。利用ALMA，AGE-PRO获取了跨越关键演化阶段的气体和尘埃质量关键示踪剂的观测数据，从最早形成直至最终消散。这些ALMA数据将成为一个综合性的谱线观测遗产数据库，涵盖不同演化阶段的大量盘样本。

月与行星实验室（LPL）的研究生、其中一篇论文的第一作者邓丁山（Dingshan Deng）为豺狼座（Lupus，拉丁语意为“狼”）恒星形成区提供了数据归约工作——本质上是将无线电信号转换为盘的光学图像所必需的图像分析。

他说：“得益于这些新的长期观测，我们现在不仅能对该区域最明亮且研究更充分的盘进行气体质量估算和追踪，还能对小而暗弱的盘进行类似研究。由于在许多先前未观测到气体的盘中发现了气体示踪剂，我们现在拥有了一个经过充分研究的样本，涵盖了豺狼座恒星形成区广泛的盘质量范围。”

帕斯库奇补充道：“我们花了数年时间才找出正确的数据归约方法和分析流程，以生成本文中气体质量研究以及合作组多篇其他论文所使用的图像。”

一氧化碳是原行星盘中最广泛使用的化学示踪剂，但要彻底测量盘中的气体质量，还需要额外的分子示踪剂。AGE-PRO使用了N₂H⁺（二氮烯鎓离子），一种星际云中作为氮气指示剂的离子，作为额外的气体示踪剂，显著提高了测量的准确性。ALMA的探测设置也接收了其他分子的光谱特征，包括甲醛、甲基氰（乙腈）以及几种含氘（氢的同位素）的分子物种。

邓丁山说：“另一个令我们惊讶的发现是，不同质量盘的气体与尘埃质量比趋向于比预期更为一致。换句话说，不同尺寸的盘可能共享相似的气体-尘埃质量比，而文献曾暗示较小的盘可能更快地失去气体。”

本研究由美国国家科学基金会、欧洲研究理事会、亚历山大·冯·洪堡基金会、智利国家科学和技术发展基金（FONDECYT）等机构资助。完整资助信息请参阅研究论文。