巨行星的形成过程可能比预想的更快

这些发表在《天体物理学杂志》特刊12篇论文中的研究结果，是ALMA大型项目“ALMA原行星盘气体演化巡天计划”（AGE-PRO）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，以测量不同年龄阶段的气体盘质量。研究表明，这些盘中的气体和尘埃组分以不同速率演化。

据项目首席研究员、威斯康星大学麦迪逊分校的张轲介绍，先前的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过程，提供了行星形成盘整个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Ilaria Pascucci表示。"观测气体要困难得多，因为它需要更长的观测时间，这就是为什么我们必须通过如此大规模的计划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，期间气体和尘埃不断演化并消散，这为巨行星的形成设定了时限。盘的初始质量和尺寸以及其角动量，深刻影响着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。盘中气体的寿命决定了尘埃颗粒生长至小行星尺寸天体的时间尺度、行星的形成过程，以及最终行星从其诞生地的迁移。

该巡天最惊人的发现之一是团队观察到：随着星盘老化，气体和尘埃的消耗速率不同，导致气体与尘埃的质量比在演化过程中发生变化：与能在盘内留存更长时间的尘埃不同，气体消散相对迅速，之后随着星盘老化而减缓。换言之，年轻的行星形成盘会排出更多气体。

张轲表示最令人惊讶的发现是：尽管大多数星盘在数百万年后消散，但存活的星盘含有比预期更多的气体。这表明气态行星（如木星）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的分子谱线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。作为首个大型化学巡天项目，AGE-PRO针对分布在三个年龄范围从100万至600万年的恒星形成区（蛇夫座—最年轻、豺狼座—100-300万年、天蝎座上部—最古老）中的30个行星形成盘进行观测。通过ALMA，AGE-PRO获取了跨越行星形成盘演化关键阶段（从早期形成到最终消散）的气体和尘埃质量关键示踪剂的观测数据。这些ALMA数据将成为不同演化阶段大样本星盘谱线观测的综合性遗产数据库。

月球与行星实验室（LPL）研究生、其中一篇论文的第一作者Dingshan Deng，负责豺狼座（拉丁语"狼"）恒星形成区的数据归约工作——本质上是从射电信号转换为星盘光学图像所需的图像分析处理。

"得益于这些新的长时间观测，我们现在不仅能估算和追踪该区域最明亮、研究更充分的星盘气体质量，还能分析更小、更暗弱星盘的气体质量，"他表示。"由于在众多先前未观测到气体示踪剂的星盘中有了新发现，我们现在拥有一个覆盖豺狼座恒星形成区广泛星盘质量的完善样本。"

Pascucci补充道："我们花了数年时间才确定用于生成本文气体质量图像及合作组多篇论文图像的正确数据归约方法和分析流程。"

一氧化碳是原行星盘中最广泛使用的化学示踪剂，但要精确测量盘中的气体总质量，需要额外的分子示踪剂。AGE-PRO采用N₂H⁺（重氮烯离子）——星际云中氮气的指示剂——作为补充气体示踪剂，显著提高了测量精度。ALMA的探测装置还接收了包括甲醛、甲基氰及多种含氘（氢的同位素）分子在内的其他分子的光谱特征信号。

"另一个出乎意料的发现是，不同质量星盘的气体尘埃质量比趋于一致的程度超出预期，"Deng指出。"换言之，不同尺寸的星盘会共享相似的气尘质量比，而现有文献认为较小星盘可能更快地失去气体。"

本研究由美国国家科学基金会、欧洲研究委员会、亚历山大·冯·洪堡基金会、智利国家科学与技术研究基金（FONDECYT）等机构资助。完整资助信息详见研究论文。