为什么巨行星的形成可能比我们预想的更快

这些发表在《天体物理学杂志》焦点特刊12篇论文中的发现，是ALMA大型项目“原行星盘气体演化巡天”（ALMA Survey of Gas Evolution of PROtoplanetary Disks，简称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珂（Ke Zhang）介绍，此前的ALMA观测已研究过盘中尘埃的演化；而AGE-PRO首次追踪了气体演化，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。

"现在我们同时拥有了气体和尘埃数据，"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）表示。"观测气体要困难得多，因为这需要多得多的观测时间，这就是为什么我们必须开展此类大型项目以获得统计学意义上显著的样本。"

原行星盘围绕其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间尺度。盘的初始质量和尺寸，以及其角动量，对可能形成的行星类型（气态巨行星、冰态巨行星或小型海王星）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尺寸天体、行星形成乃至行星最终从其诞生地迁移的时间尺度。

该巡天最令人惊讶的发现之一是：随着盘的演化年龄增长，气体和尘埃的消耗速率不同，导致气尘质量比发生变化——尘埃倾向于在更长时间内保留在盘中，而气体消散相对较快，且随盘年龄增长消散速度逐渐放缓。换言之，行星形成盘在年轻时更易喷发出大量气体。

张珂表示最令人惊讶的发现是：尽管大多数盘会在数百万年后消散，但存活的盘所含气体比预期更多。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利用被称为分子谱线的微弱信号研究盘中的冷气体，这些光谱特征波长实质上是识别不同气体分子种类的"指纹"。作为同类首个大规模化学巡天，AGE-PRO针对三个年龄范围从100万至600万年的恒星形成区（最年轻的蛇夫座、100-300万年的豺狼座和最古老的上天蝎座）中的30个行星形成盘进行了观测。通过ALMA，AGE-PRO获取了盘从最初形成到最终消散的关键演化阶段中气体和尘埃质量关键示踪剂的观测数据。这批ALMA数据将成为涵盖不同演化阶段大样本盘的光谱线观测综合遗产数据库。

行星实验室（LPL）研究生、其中一篇论文的第一作者邓鼎山（Dingshan Deng）为豺狼座（拉丁语"狼"）恒星形成区提供了数据归算——即从射电信号转换为盘的光学图像所需的图像分析工作。

"得益于这些新型长期观测，我们现在不仅能估算并追踪该区域最明亮且研究较充分的盘的气体质量，还能研究更小更暗的盘，"他表示。"由于在先前未见气体的众多盘中发现了气体示踪剂，我们在豺狼座恒星形成区获得了覆盖广泛盘质量的完善研究样本。"

帕斯库奇补充道："我们花费数年时间才确定正确的数据归算方法和分析流程，生成本文气体质量测量及合作组多篇论文所用的图像。"

一氧化碳是原行星盘中最广泛使用的化学示踪剂，但为全面测量盘内气体质量，需要额外的分子示踪剂。AGE-PRO使用了N₂H⁺（重氮基离子）——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的探测设置还能接收其他分子的光谱特征信号，包括甲醛、甲基氰以及几种含氘（氢的同位素）的分子种类。

"另一个出乎意料的发现是，不同质量盘间的气尘质量比趋向于比预期更一致，"邓鼎山指出。"换言之，不同尺寸的盘会共享相似的气尘质量比，而文献曾暗示较小盘可能更快失去气体。"

本研究经费由国家科学基金会、欧洲研究委员会、亚历山大·冯·洪堡基金会、FONDECYT（智利）等机构提供。完整资助信息请参阅研究论文。