異常的一氧化碳和礦物揭示了一場大碰撞

一場行星大碰撞留下的蛛絲馬跡

藝術(shù)家創(chuàng)作的HD172555星系在遠(yuǎn)古時代發(fā)生的碰撞圖畫。20萬年前，一顆小行星撞擊上一顆地球大小的行星。這個行星在撞擊中失去了自己的大氣層，這也給風(fēng)暴一擊的賦予了新的含義。 圖片由馬克.A.蓋里克/麻省理工新聞提供。

早期的太陽系是一個充滿暴力和混亂之地——大大小小的巖石相互碰撞。而正是由于這些碰撞誕生了今天的行星和它們的衛(wèi)星。2021年10月20日，天文學(xué)家宣布他們發(fā)現(xiàn)了很久以前一顆年輕系外行星如何在大碰撞中失去大氣層的證據(jù)。

2021年10月20日麻省理工學(xué)院、愛爾蘭戈爾韋國立大學(xué)、劍橋大學(xué)和其他機構(gòu)發(fā)表了上述發(fā)現(xiàn)，《自然》雜志對此進(jìn)行了同行評議。

系外行星如何失去大氣層？

顯然行星本身不能提供任何證據(jù)。但是環(huán)繞著恒星HD172555的星塵和氣體帶卻包含著重要信息。這些環(huán)繞恒星的環(huán)或者盤被稱為環(huán)星盤。這顆恒星距離地球95光年，年齡估計為2300萬年，還處于恒星的嬰兒期。

這些星塵和氣體揭示了一場大規(guī)模碰撞的蛛絲馬跡，科學(xué)家估計這場大規(guī)模碰撞發(fā)生在20萬年前。根據(jù)科學(xué)家分析，這場大碰撞中有一顆還在成長的地球大小原行星“胚胎”被一顆稍小的行星撞擊。

研究者估計撞擊速度超過2.2萬英里/小時（約為10公里/秒），碰撞中這顆原行星的大氣被剝離了一大部分。

碰撞的巖石和巨大的行星在恒星周圍的塵埃盤上投下了陰影。恒星周圍的碎片星盤或稱為環(huán)星盤的藝術(shù)插圖。行星和衛(wèi)星在這些盤中的反復(fù)撞擊中誕生或被摧毀。這與HD172555星系中發(fā)生的類似。圖片來至于美國航天局噴氣實驗室/加利福利亞理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實驗室。

主要作者之一，來至麻省理工地球大氣行星科學(xué)部的塔拉納基.施耐得曼說：“這是我們第一次發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象——撞擊剝離原行星的大氣層。每個人都期望能夠觀察到大碰撞，因為我們認(rèn)為這是很常見的現(xiàn)象，但是我們在大量觀察過的星系中并沒有發(fā)現(xiàn)證據(jù)。現(xiàn)在我們對這個過程有了新的視角。

不尋常的礦物和一氧化碳

研究人員在研究恒星周圍的塵埃和氣體物質(zhì)時發(fā)現(xiàn)了一些異常，比如：塵埃顆粒中含有大量的不尋常的礦物。而且這些塵埃顆粒比年輕恒星典型環(huán)星盤中的顆粒要小很多。施耐得曼說：“正是這兩個因素導(dǎo)致HD172555看起來有些奇怪”。

但這并不是全部，研究人員使用位于智利的阿塔卡馬大型毫米波陣列（ALMA）分析了恒星周圍的氣體。與預(yù)期的一樣，研究人員發(fā)現(xiàn)了一氧化碳，其中的一些數(shù)據(jù)讓人驚奇。這種氣體太靠近恒星了，只有10個天文單位即地球到太陽距離的10倍。總的來說，這里的一氧化碳含量大約是金星的20%（遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常情況）。

來自麻省理工的塔拉納基.施耐得曼領(lǐng)導(dǎo)了這個發(fā)現(xiàn)HD172555大碰撞證據(jù)的新研究。麻省理工/地球大氣星系部供圖

一氧化碳的光解離

因此一氧化碳為什么距離恒星這么近？以及為什么說距離如此之近不同尋常呢？

正如施耐得曼所說：“距離恒星如此之近存在這么高含量的一氧化碳需要一些解釋，在此之前需要了解光解離這個概念，即在光子具有破壞化學(xué)鍵的能力。恒星發(fā)出的光子可以破壞一氧化碳的化學(xué)鍵而導(dǎo)致一氧化碳發(fā)生解離。（補充：一氧化碳吸收宇宙空間中的真空紫外輻射以后會解離生成碳原子和氧原子；碎片原子會進(jìn)一步和宇宙中的氫氣分子反應(yīng)生成碳?xì)浠衔锖退?。）因此，在距離HD172555如此近的距離上發(fā)現(xiàn)如此多的一氧化碳很不尋常，一般來說，即使在這個距離發(fā)現(xiàn)一氧化碳，含量也應(yīng)較低。”

可能的推測

研究人員為謎一樣的塵埃和一氧化碳做了多種推測。

推測一：這些氣體來治愈一個新生恒星的碎片。

推測二：氣體來自于系外的過于靠經(jīng)恒星的冰凍小行星。

推測三：類似柯伊伯帶的外小行星帶的冰彗星在靠近恒星時留下的。

但是經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，上述三個推測均與觀測數(shù)據(jù)不符。

因此這些一氧化碳是從何而來？當(dāng)研究人員考慮大碰撞這種可能性時，這種推測完美的契合了現(xiàn)有的各項數(shù)據(jù)。

施耐得曼解釋到：這些推測中，只有大碰撞才能完美的符合各項觀測數(shù)據(jù)。在這個年齡階段的恒星系中，我們認(rèn)為會存在大碰撞，而且這些大碰撞很常見。要滿足觀測到的塵埃和氣體的形態(tài)、成分，以及星系年齡和時間刻度多方面因素，只有行星大碰撞才可能出現(xiàn)如此大量的一氧化碳。

從天文學(xué)上來說，20萬年只是彈指一揮間，恒星還沒有完全將碰撞產(chǎn)生的一氧化碳完全光解離。現(xiàn)在我們所看到的氣體就是當(dāng)時大碰撞所留下的。

HD172555恒星，在數(shù)字巡天計劃2（DSS2）中拍攝的照片。多米尼克.福特/ In-The-Sky.org

關(guān)于其他碰撞的研究

現(xiàn)在科學(xué)家們十分肯定HD172555恒星周圍的塵埃和一氧化碳和一場行星大碰撞有關(guān)，這也將為識別其他碰撞提供一個新的思路。

施耐得曼介紹到，未來在其他星系也可以利用本次研究的成果，如果在特定位置發(fā)現(xiàn)了形態(tài)與大碰撞后一致的一氧化碳，那么這就有可能是一次行星大碰撞的遺跡。這為尋找大碰撞和分析碰撞后碎片行為提供了一條新途徑。

加州大學(xué)洛杉磯分校的希爾克.施利希廷補充道：

這項工作最讓人激動的是，研究揭示了行星大氣層可能在碰撞中被剝離。這為研究系外行星在大碰撞后的大氣成分提供了一條新的途徑，最終將幫助我們了解其他類地行星在大碰撞階段的大氣情況。

總結(jié):大約20萬年前，一顆年輕的地球大小的系外行星在一次巨大的撞擊中失去了大氣層，在殘留的塵埃和一氧化碳?xì)怏w中留下了線索。

BY: Paul Scott Anderson

FY: 大衛(wèi)高怕飛

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