天文学家在遥远的恒星系统中发现与太阳系类似的特征

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柯伊伯带的艺术想象图


天文学家在遥远的恒星系统中发现与太阳系类似的特征


我们的太阳系有多典型?这个问题长期困扰着行星科学家,但是在其它行星系统中探测到与太阳系类似的特征相当困难。而天文学家刚刚做出了这样的发现——围绕一颗距我们320光年的恒星,存在着类似柯伊伯带的特征。

他们说,这是第一次通过偏振探测发现围绕一颗恒星的内环,这颗恒星我们称为HD 141569A。而这个发现正在揭示行星演化过程一个关键时期的新细节。

HD 141569A实际上是一个相当有趣而且被充分研究过的天体。它处于一个三星系统中,它的两颗伴星皆为红矮星。但HD 141569A仅有500万年的寿命,质量是太阳的3倍左右,具有蓝色的光谱类型,高温且明亮耀眼。

1999年,在这颗年轻的恒星周围发现了一个星盘,两个星环各自在220和360个天文单位处达到峰值。这些是恒星在形成过程中,围绕恒星旋转,未被吸入恒星而残余下来的物质;在长时间里,这些物质开始积聚在一起,吸积而形成行星。

在HD 141569A的星盘中,两个星环之间的缝隙暗示,一颗行星正在形成,它的引力吸引了自己轨道上的所有物质。

HD 141569星环之间的缝隙

图源:ESA/Hubble

在我们的太阳系中,我们同样有太阳形成时的吸积盘残余下来的物质。我们把它们称为柯伊伯带,它是一个由冰质残片构成的星盘,位于海王星轨道的外侧。平均在39.5个天文单位处的冥王星,恰恰位于柯伊伯带之内。

太阳系的柯伊伯带概念图

图源:NASA


在行星吸积过程将近结束之时,留下来的被称为残骸星盘,而它延展开来可以横跨数百个天文单位。围绕HD 141569A的星盘是混合型的——它是在原行星盘转变成残骸星盘之间的状态。

阿塔卡玛大型毫米波阵列(ALMA)拍下的围绕年轻的恒星HL Tauri的原行星盘

图源:ALMA/Wikipedia, CC BY 4.0


混合星盘对行星科学家来说非常迷人,因为它们可以告诉我们气态巨行星是如何形成的,以及成长中的星子(或称微行星)是如何与星盘中的气体以及尘埃互动的。

现在,通过研究恒星周围区域散射和扭曲的电磁辐射,由加拿大西安大略大学的胡安·塞巴斯蒂安·布鲁索内(Juan Sebastian Bruzzone)领导的天文学家们已经绘制出一个围绕HD 141569A 的类似星环,在距恒星44个天文单位处达到峰值。

图源:Bruzzone et al., arXiv, 2019

他们不仅发现了行星形成的证据,还找到了线索,暗示星盘中存在另一个更加靠近恒星的星环结构。

具体来说,他们发现了一个旋臂——一种在其它一些原行星盘中发现过的特征,这些原行星盘中也包括HD 141569A两个外星环,这一特征被认为是存在一颗正在形成的行星的证据。根据旋臂的特征,研究者们推测该行星会与木星的质量相似,或者略小一些。

他们同时拿他们观察到的辐射与模型做了比较,以寻找可能形成这种辐射的最切合的尘埃类型。但是,即使是最相符的模型也有无法解释的辐射存在。

然而,当另一个距离恒星更近的星环被纳入计算之后,问题被解决了。一个处于5-15个天文单位的星带非常漂亮地重现了辐射。

天文学家能够做出这样的发现实在太惊人了,与此同时,这正是能够告诉我们行星如何诞生的详尽研究。

反过来,这能告诉我们更多关于太阳系的事——知道它到底有多一般(还是特殊)能够帮助我们弄清我们是如何走到今天的。

“考虑到从其它高对比度设施得来的分辨成像数据,HD 141569A的残骸星盘是由至少3个,有可能是4个嵌套的星环形成的,在三个空间分辨的星环上有螺旋结构,”研究者在他们的论文中写道。

“正因为如此,这是研究动态受扰动星盘的绝佳环境。”

该研究已经被《天文学期刊》(The Astronomical Journal) 接受,已在arXiv刊载。


海王星轨道外柯伊伯带已知的星体 [坐标单位为天文单位(AU); 2015年1月]

太阳 木星-特洛伊小行星群 巨行星: J S U N 半人马小行星

海王星特洛伊 共振柯伊伯带 经典柯伊伯带 离散盘

距离按比例缩小,但大小并未按比例标记

图源:WilyD/wikipedia, CC BY-SA 3.0,

相关知识

柯伊伯带,偶尔被称为艾吉沃斯-柯伊伯带,是外太阳系环绕恒星的一个圆盘状区域,从海王星轨道(位于30个天文单位处)到距太阳大约50个天文单位处。它与小行星带相似,但大得多——20倍宽,质量则为小行星带的20到200倍。正如小行星带,它主要由太阳系形成时所残留下来的小星体或物质构成。许多小行星主要是由岩石和金属构成的,而柯伊伯带的物质则主要由冰冻的挥发性物质(被称为“冰”),诸如甲烷、氨和水构成。柯伊伯带是三个官方认定的矮行星所在的区域:冥王星、妊神星和鸟神星。一些太阳系的卫星,诸如海王星的海卫一,和土星的土卫九,可能诞生于这片区域。


参考资料

1.维基百科全书

2.天文学名词

3. sciencealert- sciencealert-叶萤

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