由馬克斯·普朗克天文學(xué)研究所馬里奧·福洛克(Mario Flock)領(lǐng)導(dǎo)的一組天文學(xué)家進(jìn)行數(shù)值模擬表明，年輕恒星系統(tǒng)天生就具有“嬰兒防護(hù)能力”：物理機(jī)制結(jié)合在一起，使內(nèi)部區(qū)域的年輕行星不會(huì)致命地墜入恒星。

類似的過(guò)程也會(huì)讓行星在接近恒星的地方誕生，從靠近恒星區(qū)域的亂石中誕生。其研究發(fā)表在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》上，并解釋了開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡的發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)顯示，大量超級(jí)地球在嬰兒防護(hù)能力區(qū)域邊緣非常接近地繞著恒星旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)一個(gè)孩子出生時(shí)，父母將確保他們已經(jīng)對(duì)他們的家進(jìn)行了嬰兒防護(hù)，設(shè)置了安全屏障，讓孩子遠(yuǎn)離特別危險(xiǎn)的區(qū)域。關(guān)于行星形成的新研究表明，在年輕的行星系統(tǒng)中也發(fā)生了非常類似的事情。行星圍繞著一顆年輕的恒星形成，這顆恒星被一片氣體和塵埃包圍著。在這個(gè)原生行星盤(pán)內(nèi)，塵埃顆粒粘在一起，變得越來(lái)越大。幾百萬(wàn)年后，直徑已經(jīng)達(dá)到了幾公里。在這一點(diǎn)上，重力足夠強(qiáng)大，將這些物體拉到一起形成行星，圓形物體，固體或具有固體核心，直徑為幾千公里或更多。

內(nèi)部邊界上奇怪的擁擠

就像蹣跚學(xué)步的孩子一樣，在這樣一個(gè)年輕的系統(tǒng)中，固體物體傾向于向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，不僅圍繞恒星運(yùn)行，而且向內(nèi)或向外漂移。對(duì)于已經(jīng)相對(duì)靠近中心恒星的行星來(lái)說(shuō)，這可能會(huì)成為潛在的致命因素。在恒星附近，只會(huì)遇到與地球相似固體表面的巖石行星。行星核心只能捕獲和保存大量的氣體，使之成為遠(yuǎn)離熾熱恒星更遠(yuǎn)的氣體巨星。但是，對(duì)恒星附近行星在原生行星盤(pán)氣體中運(yùn)動(dòng)的最簡(jiǎn)單計(jì)算表明，這樣的行星應(yīng)該不斷地向內(nèi)漂移，以不到一百萬(wàn)年的時(shí)間尺度墜入恒星，這比原生行星盤(pán)的壽命短得多。

如果這是整個(gè)畫(huà)面，NASA開(kāi)普勒衛(wèi)星觀測(cè)與太陽(yáng)相似的恒星(光譜類型為F，G和K)，發(fā)現(xiàn)了完全不同的東西，這是令人費(fèi)解的：許多恒星都非常接近地圍繞所謂的超級(jí)地球運(yùn)行，即比地球質(zhì)量更大的巖石行星。特別常見(jiàn)的是周期在12天左右的行星，周期低至10天。對(duì)于我們的太陽(yáng)來(lái)說(shuō)，這相當(dāng)于大約0.1個(gè)天文單位的軌道半徑，只有水星軌道半徑的四分之一，水星是我們太陽(yáng)系中最接近太陽(yáng)的行星。

這是馬克斯·普朗克天文學(xué)研究所組長(zhǎng)馬里奧·福洛克(Mario Flock)與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory)、芝加哥大學(xué)(University Of Chicago)和倫敦瑪麗皇后大學(xué)(Queen Mary University)同事們一起著手解決的難題。參與研究的研究人員是模擬行星誕生復(fù)雜環(huán)境的專家，對(duì)氣體、塵埃、磁場(chǎng)和行星及其各種前體階段的流動(dòng)和相互作用進(jìn)行建模。面對(duì)近軌道開(kāi)普勒超級(jí)地球的明顯悖論，開(kāi)始詳細(xì)模擬類太陽(yáng)恒星附近的行星形成。

大型嬰兒防護(hù)系統(tǒng)

結(jié)果是明確的，并提出了兩個(gè)可能原因背后共同發(fā)生密切軌道的行星。第一，至少對(duì)于質(zhì)量高達(dá)地球質(zhì)量10倍的巖石行星(“超級(jí)地球”或“迷你海王星”)來(lái)說(shuō)，這些早期恒星系統(tǒng)是可以保護(hù)嬰兒行星的。使年輕行星遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)的安全屏障原理如下：離恒星越近，恒星的輻射就越強(qiáng)烈。內(nèi)部邊界稱為硅酸鹽升華前沿，圓盤(pán)溫度上升到1200K以上，塵埃顆粒(硅酸鹽)將轉(zhuǎn)化為氣體。該區(qū)域內(nèi)極熱的氣體變得非常湍流。這種湍流以高速將氣體輸送到恒星，在這個(gè)過(guò)程中變薄了原行星盤(pán)的內(nèi)部區(qū)域。

當(dāng)一個(gè)年輕的超級(jí)地球穿過(guò)氣體時(shí)，通常伴隨著氣體在類似馬蹄形的軌道路徑上與行星共同旋轉(zhuǎn)。當(dāng)行星向內(nèi)漂移并到達(dá)硅酸鹽升華前沿時(shí)，從熱的稀薄氣體移動(dòng)到邊界外密度較大氣體粒子給行星一個(gè)小小的踢。在這種情況下，氣體將對(duì)行進(jìn)中的行星施加影響(物理術(shù)語(yǔ)：扭矩)，而至關(guān)重要的是，由于密度的跳躍，這種影響將把行星拉離邊界，徑向外。通過(guò)這種方式，邊界起到了安全屏障的作用，防止年輕行星墜入恒星。而模擬所預(yù)測(cè)的類太陽(yáng)恒星邊界位置，與開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)的軌道周期下限相對(duì)應(yīng)。

邊界上的行星建造

還有另一種可能性：在追蹤幾毫米或幾厘米大小的卵石狀較小物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)，這些卵石傾向于緊密地聚集在硅酸鹽升華前沿的后面。為了使壓力在邊界處直接平衡，過(guò)渡區(qū)域中的薄氣體需要比通常更快地旋轉(zhuǎn)(因?yàn)楸仨氃趬毫碗x心力之間保持平衡)。這種氣體自轉(zhuǎn)速度比孤立粒子獨(dú)自繞恒星運(yùn)行時(shí)的“凱普勒”軌道速度要快。進(jìn)入這個(gè)過(guò)渡區(qū)域的卵石被迫以比凱普勒更快的速度運(yùn)動(dòng)，并在相應(yīng)的離心力將其向外推時(shí)立即再次彈出，就像一個(gè)小孩子從旋轉(zhuǎn)木馬的平臺(tái)上滑落一樣。

這也有助于接近軌道的超級(jí)地球頻率，不僅以前形成的超級(jí)地球收集了一個(gè)嬰兒防護(hù)屏障。卵石聚集在那個(gè)屏障上的事實(shí)也為在那個(gè)位置新形成的超級(jí)地球提供了理想條件。對(duì)研究人員來(lái)說(shuō)，這一結(jié)果并不完全出乎意料。事實(shí)上已經(jīng)在更重的恒星模型(“HerBig Stars”)中發(fā)現(xiàn)了類似的卵石陷阱，盡管它們與恒星的距離要遠(yuǎn)得多。新結(jié)果將其擴(kuò)展到類似太陽(yáng)的恒星，并為新生行星添加了嬰兒保護(hù)機(jī)制。此外，新研究論文是第一篇提供與開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較的研究。

我們的太陽(yáng)系呢？

有趣的是，根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)，我們的太陽(yáng)系也可能擁有一顆比目前最內(nèi)側(cè)的行星水星更接近太陽(yáng)的類地行星。但沒(méi)有這樣的行星的事實(shí)是統(tǒng)計(jì)上的僥幸，還是這樣的行星存在并在某個(gè)時(shí)候被從太陽(yáng)系內(nèi)部彈射出來(lái)？這是一個(gè)值得進(jìn)一步研究的有趣問(wèn)題，這不僅是因?yàn)樘?yáng)系有嬰兒防護(hù)能力，有可能這樣保護(hù)的嬰兒已經(jīng)‘飛出了巢穴’。

博科園｜研究/來(lái)自：馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)

參考期刊《天文學(xué)與天體物理學(xué)》

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普

關(guān)注【博科園】看更多大美宇宙科學(xué)