为何巨行星的形成速度或许超出我们预想

发表在《天体物理学杂志》特刊上的12篇论文所阐述的发现，隶属于一个名为“ALMA原行星盘气体演化巡天计划”（简称AGE-PRO）的大型ALMA项目。AGE-PRO观测了环绕类太阳恒星的30个行星形成盘，以测量不同年龄阶段的气体盘质量。该研究揭示，这些盘中的气体和尘埃组分以不同的速率演化。

据项目首席研究员、威斯康星大学麦迪逊分校的张珂介绍，此前的ALMA观测已探究过盘中尘埃的演化；而AGE-PRO首次追踪了气体的演化，提供了行星形成盘生命周期内气体盘质量和尺寸的首批测量数据。

“现在我们同时掌握了气体和尘埃的数据，”亚利桑那大学行星科学教授、AGE-PRO三位共同首席研究员之一的伊拉里亚·帕斯库奇表示，“观测气体要困难得多，因为它需要多得多的观测时间，这正是我们必须实施此类大型项目才能获得统计学显著样本的原因。”

一个原行星盘围绕其主恒星旋转数百万年，在此期间其气体和尘埃不断演化并消散，这为巨行星的形成设定了时间尺度。盘的初始质量和尺寸及其角动量，对其可能形成的行星类型——气态巨行星、冰巨星或迷你海王星——以及行星的迁移路径具有深远影响。盘内气体的寿命决定了尘埃粒子增长至小行星大小天体的时间尺度、行星的形成过程，以及行星最终从其诞生地的迁移过程。

在该巡天计划最令人惊讶的发现之一中，研究团队发现随着盘年龄的增长，其气体和尘埃消耗速率不同，并在演化过程中经历气体与尘埃质量比的变化：与倾向于在较长时间内保留在盘内的尘埃不同，气体消散相对较快，随后随着盘的老化而减缓。换言之，行星形成盘在年轻时释放的气体更多。

张珂表示最令人惊讶的发现是，尽管大多数盘在数百万年后消散，但存留下来的盘所含气体超出预期。这表明像木星这样的气态巨行星的形成时间可能比岩质行星更短。

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。AGE-PRO作为首个此类大规模化学巡天项目，瞄准了年龄从100万年至600万年不等的三个恒星形成区的30个行星形成盘：蛇夫座（最年轻）、天狼座（100-300万年）和天蝎座上段（最年老）。利用ALMA，AGE-PRO获取了盘在其演化关键阶段（从最初形成到最终消散）的气体和尘埃质量关键示踪剂的观测数据。这些ALMA数据将成为一个全面的谱线观测遗产数据库，涵盖不同演化阶段的大量盘样本。

月球与行星实验室（LPL）的研究生、其中一篇论文的第一作者邓顶山，为位于天狼座（拉丁语意为“狼”）的恒星形成区提供了数据归约——本质上是从射电信号获取盘光学图像所需的图像分析。

“得益于这些新颖且长期的观测，我们现在不仅能够估算和追踪该区域最明亮、研究更充分的盘的气体质量，也能分析更小、更暗弱的盘，”他说，“由于在众多先前未探测到气体的盘中发现了气体示踪剂，我们在天狼座恒星形成区域获得了一个覆盖广泛盘质量范围、经过充分研究的样本。”

帕斯库奇补充道：“我们耗费数年时间才确定合适的数据归约方法和分析流程，以生成本文中气体质量图像以及合作组多篇其他论文所用的图像。”

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⁺（重氮基离子）作为额外气体示踪剂，这种离子在星际云中用作氮气指示剂，从而显著提高了测量精度。ALMA的探测设置也用于接收其他分子的光谱信号，包括甲醛、甲基氰以及几种含氘（氢的同位素）的分子。

“另一个出乎我们意料的发现是，不同质量的盘之间气体与尘埃的质量比趋于比预期更一致，”邓顶山说，“换言之，不同大小的盘会共享相似的气尘质量比，而文献曾暗示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、FONDECYT（智利）等机构资助。完整资助信息请参阅研究论文。