为什么巨行星的形成速度可能比我们曾认为的更快

这些发表在《天体物理学杂志》焦点特刊12篇论文中的发现，属于一项名为ALMA原行星盘气体演化巡天计划（ALMA Survey of Gas Evolution of PROtoplanetary Disks, 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气体与尘埃成分以不同的速率演化。

该项目的首席研究员、威斯康星大学麦迪逊分校的张珂（Ke Zhang）表示，先前ALMA的观测已检验了盘中尘埃的演化；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度的首批测量数据。

“现在我们同时拥有了气体和尘埃的数据，”亚利桑那大学行星科学教授、AGE-PRO三位联合首席研究员之一的伊拉里亚·帕斯库奇（Ilaria Pascucci）说。“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进行像这样的大型项目才能获得具有统计显著性的样本。”

一个原行星盘围绕其宿主恒星旋转数百万年，其气体和尘埃在此期间演化并耗散，为巨行星的形成设定了时限。盘的初始质量和大小，以及其角动量，对所形成行星的类型——气态巨行星、冰巨星或迷你海王星——以及行星的迁移路径有着深远影响。盘内气体的寿命则决定了尘埃颗粒增长到小行星大小天体的时间尺度、行星的形成以及最终行星从其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，其气体与尘埃被消耗的速率不同，并且在盘演化过程中气体与尘埃质量比发生变化：与倾向于在更长时间内保留在盘内的尘埃不同，气体的消散相对较快，然后在盘老化过程中减缓。换句话说，行星形成盘在年轻时会驱散更多的气体。

张珂表示，最令人惊讶的发现是，虽然大多数盘在几百万年后耗散，但那些存留下来的盘拥有比预期更多的气体。这表明像木星这样的气态行星形成的时间比岩石行星更短。

ALMA独特的灵敏度使研究人员能够利用微弱的所谓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。作为同类首个大规模的化学巡天，AGE-PRO针对三个年龄范围从100万到600万年的恒星形成区中的30个行星形成盘：蛇夫座（最年轻）、狼疮座（100-300万年）和上天蝎座（最年老）。利用ALMA，AGE-PRO获得了跨越其演化关键阶段（从最初形成到最终耗散）的盘中气体和尘埃质量关键示踪物的观测数据。这些ALMA数据将作为一个全面的遗产数据库，为不同演化阶段的大型盘样本提供谱线观测记录。

月球与行星实验室（LPL）研究生、其中一篇论文的第一作者邓丁山（Dingshan Deng）为狼疮座（Lupus，拉丁语意为“狼”）恒星形成区提供了数据归约——本质上就是从射电信号获取盘的光学图像所需的图像分析。

“得益于这些新的长时间观测，我们现在有能力估算和追踪气体质量，不仅是针对该区域最亮、研究更充分的盘，也包括更小、更暗的盘，”他说。“由于在以前未检测到的许多盘中发现了气体示踪物，我们现在在狼疮座恒星形成区拥有了一个涵盖广泛盘质量范围的、经过充分研究的样本。”

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，以生成本文中用于气体质量以及合作组许多其他论文的图像。”

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，需要额外的分子示踪剂。AGE-PRO使用了N₂H⁺（二氮烯离子）——一种在星际云中用作氮气指示剂的离子——作为额外的气体示踪剂，显著提高了测量的准确性。ALMA的探测设置也用于接收来自其他分子的光谱特征信号，包括甲醛、甲基氰和几种含氘（氢的同位素）的分子物种。

“另一个让我们惊讶的发现是，不同质量的盘之间气体与尘埃的质量比趋向于比预期更一致，”邓丁山说。“换句话说，不同大小的盘将共享相似的气尘质量比，而文献曾表明较小的盘可能更快地失去其气体。”

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、智利国家科学与技术研究基金会（FONDECYT）等机构资助。完整资助信息请参阅研究论文。