天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)氣態(tài)巨行星的形成時間比以前認為的要早 _行星

質(zhì)量與木星相似的系外行星的形成時間比以前想象的要早得多。照片：Getty Images
據(jù)俄亥俄州立大學(xué)（Tatyana Woodall）：根據(jù)新的研究，對過去數(shù)據(jù)的重新審視表明，質(zhì)量與木星相似的系外行星的形成時間比以前想象的要早得多。俄亥俄州立大學(xué)的研究結(jié)果提供了關(guān)于吸積時間的新信息，吸積是指積累大量富含碳和氧的氣體和固體顆粒，形成木星等大型行星的過程。
這項研究發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》上。
行星是由原行星盤形成的，原行星盤是旋轉(zhuǎn)的塵埃和氣體云，是行星形成的完美成分。這項新的研究表明，吸積發(fā)生在早期，當時圓盤很大，比研究人員之前認為的要年輕得多。
盡管新確認的系外行星數(shù)量持續(xù)增長，但這些行星的起源和影響其形成的因素仍是科學(xué)家們?nèi)栽谂鉀Q的難題。例如，類木星系外行星最初被認為需要近300萬至500萬年才能完全形成；最近的觀測表明，對于像木星這樣的氣態(tài)巨星來說，這一過程可能更接近100萬到200萬年。
該研究的作者、俄亥俄州立大學(xué)天文學(xué)助理教授Ji Wang表示，這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了研究人員關(guān)于這些行星形成的原行星盤的“年齡”的現(xiàn)有理論。這些結(jié)果可能會促使科學(xué)家重新評估和改進他們對太陽系和其他地方的行星形成理論。
王說：“我們所知道的關(guān)于系外行星的一切都可以放在太陽系的背景下，反之亦然。” 。“通常行星形成是一個自下而上的方案，這意味著它從小物體開始，逐漸形成一個更大的行星，但這種方式需要時間。”
盡管系外行星是指軌道遠遠超出我們太陽系范圍的行星物體，但更多地了解它們是如何形成的，可以幫助研究人員更深入地了解太陽系和早期地球的演化，早期地球的形成比木星晚得多，但仍然受到它的極大影響。
行星形成的“自下而上”解釋被稱為“核心吸積理論”，但另一種可能的形成機制是當行星通過引力不穩(wěn)定形成時——當恒星周圍圓盤中的團塊太大而無法支撐自己并坍縮形成行星時。王說，因為行星的吸積歷史可能與這兩種引人注目但互補的進化形成機制密切相關(guān)，所以確定哪種過程更常見是很重要的。
該研究分析了七顆氣態(tài)巨行星的樣本，這些行星的恒星和行星化學(xué)性質(zhì)已經(jīng)通過之前的研究直接測量過，并將其與我們太陽系、木星和土星中的氣態(tài)巨行星數(shù)據(jù)進行了比較。
王表明，這些系外行星的早期形成與最近的證據(jù)一致，即木星的形成比以前認為的要早得多。這一發(fā)現(xiàn)是基于這些系外行星吸積的固體量驚人地高。
行星形成之初積累的所有物質(zhì)都會增加其大氣層的金屬性，通過觀察它們留下的痕跡，研究人員能夠測量行星一旦聚集的固體量。
王說，金屬豐度越高，固體和金屬就越多——元素周期表上任何比氫和氦質(zhì)量更大的物質(zhì)——科學(xué)家們可以假設(shè)在形成過程中都會吸積。
他說：“我們可以推斷，平均而言，五顆被采樣的行星中的每一顆都積累了相當于50個地球質(zhì)量的固體。” 。“只有當一個系統(tǒng)的年齡小于200萬年時，才能發(fā)現(xiàn)如此大量的固體，但在我們的太陽系中，可用的固體總量僅相當于地球質(zhì)量的30到50倍。”
這一新數(shù)據(jù)意味著，用于形成系外行星的構(gòu)建塊在原行星盤演化的早期階段就已經(jīng)可用，而這些構(gòu)建塊的可用性在數(shù)百萬年的時間里大大降低了。王說，因為科學(xué)家通常不希望找到行星形成得那么早的證據(jù)，所以目前的理論可能很難調(diào)和這一發(fā)現(xiàn) 。
王說：“這些系外行星形成得如此之早，以至于仍然有大量可用的金屬。” 。“這是科學(xué)界沒有充分準備的事情，所以現(xiàn)在他們必須爭先恐后地提出新的理論來解釋它。”
因為氣態(tài)巨行星在吸積過程中會吸入大量物質(zhì)，它們在太空中的形成和遷移也會影響原行星盤其他地方巖石行星的發(fā)展。在太陽系中，這種現(xiàn)象被認為導(dǎo)致木星和土星將水星推出其原始軌道，并導(dǎo)致火星變得比地球或金星小得多。
也就是說，為了幫助天文學(xué)家在未來進行類似的行星形成分析，這項工作還為推斷任何其他系外行星的固體吸積總質(zhì)量提供了一個統(tǒng)計框架，該研究指出，這也可以成為研究其他類型復(fù)雜元素數(shù)據(jù)的理想工具。
雖然這項研究純粹依賴于檔案數(shù)據(jù)，但王希望他的工作能夠得到更好的儀器收集的新的高分辨率數(shù)據(jù)的進一步補充，例如更強大的地面天文臺或詹姆斯·韋伯太空望遠鏡等下一代技術(shù) 。
王說：“通過用更大的系外行星樣本擴展這項工作，我們希望看到這篇論文中發(fā)現(xiàn)的證據(jù)趨勢繼續(xù)存在。”