天文學家：行星或在「塵埃陷阱」中形成

文章來源： 美國物理聯合會（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience專欄 張錚錚供稿

[導讀]:近日科學家提出新的行星形成理論，認為「塵埃陷阱」有助於解決困擾天文學界近40年之久的行星形成之謎。

騰訊科普訊（謝頓/編譯）在家裡，如果你使用了過濾網、吸塵器就意味著可能要進行二次清潔。但是在太空中就不一樣了，類似的塵埃「陷阱」將是行星形成的關鍵。在新生恆星周圍「兜住」彌散在宇宙空間中的星際塵埃，能夠將這些微小的顆粒「粘」在一起，最終會成長為行星。利用計算機模擬，科學家們找到了一種新的方法來產生這樣的「塵埃陷阱」，這可能有助於解決長期存在謎團：行星到底是如何形成的。

宇宙中絕大多數行星系統（包括我們所處的太陽系），產生於環繞新生恆星周圍的氣體和星級塵埃中。在原行星物質盤漩渦中，那些比紅細胞還要小的塵埃顆粒會「粘」在一起並且長大。但是，計算機模擬計算髮現了一個現象，當這些顆粒差不多「滾」到卵石大小時，就很難再增大了。在這個粒徑狀態下，顆粒受到周圍氣體的阻力就會變大，就像是逆風騎車。塵埃顆粒此時就會逐漸減速，並向中央恆星旋進。在顆粒們演變為一顆行星之前，就落入恆星的懷抱，正可謂是出師未捷身先死。

但實際上這個情況是不可能發生的，根據開普勒系外行星望遠鏡等平台的觀測，到目前為止科學家知道行星在銀河系中無處不在，迄今也已經發現了數千顆系外行星。銀河系內的行星數量估值在1000億這個數量級。很顯然上面的行星形成模型是錯誤的，不然宇宙中為何有如此龐大的行星世界。這些鵝卵石大小的顆粒應該很容易堆積形成行星，只是原理還不清楚，科學家已經被這個問題困擾了40年之久。

據一個由法國、英國和澳大利亞研究人員組成的研究小組發現，現在看來，至少有部分系外行星可能誕生於「塵埃陷阱」中。在最近發表於英國《皇家天文學會月刊》的一篇文章（作者為Jean-Fran?ois Gonzalez，來自法國里昂天體物理研究中心）指出，這些「塵埃陷阱」很容易形成，在原行星盤中也很常見，因此形成大質量天體（如行星）是很容易的。

當塵埃盤上的氣體使塵埃減速，並向中心旋進時，塵埃「陷阱」就產生了。但是根據牛頓第三定律，力的作用是相互的。塵埃往中心旋進時，氣體則被推向外側軌道。研究人員Gonzalez認為，在以前大多數用計算機模擬原行星盤時，這種反作用效應會被忽略，且也只專註於塵埃盤較小的一個區域。那些小尺度的模擬不能說明氣體是如何聚集成束，又是怎樣圍繞恆星形成一個高壓環形區域。

對此，Gonzalez解釋稱這種高壓氣體「陷阱」會把其他的塵埃顆粒拉進去，並把它們聚粘在一起。一旦形成一顆星子——大小接近小行星的形成行星的「胚胎」——那麼引力就足夠吸引更多的顆粒，最終成為一顆行星。科羅拉多西南研究院的天體物理學家凱瑟琳-克雷特克（Katherine Kretke）認為：「這是一個新的方法來考慮卵石大小的塵埃顆粒是怎樣減慢速度，並且留在原行星盤的外部區域，我們需要對原行星盤中可能發生的事件和過程進行充分考慮。」

事實上，這個新的理論對十年前提出的觀點進行了補充。過去的觀點認為，行星形成主要依靠沖流不穩定性，這也是目前塵埃顆粒形成行星的主流理論。在這一過程中，塵埃粒子因受氣體的阻力而聚集，合并在一起，就像騎自行車的人收縮身體以減小阻力。澳大利亞莫納什大學天體物理學家Daniel Price（他沒有參與上述研究）在一封電子郵件中指出，關於行星的形成問題遠沒有解決，一些研究者甚至認為這個新理論只是沖流不穩定性理論的另外一個版本。

耶魯大學的天體物理學家Gregory Laughlin認為，新理論的問題在於模擬過程中該怎麼處理湍流的行為。雖然我們假設氣體盤是有粘性的，這也是湍流中產生旋渦的一種特性，但是並不能直接對這種現象進行建模。這可能意味著模擬計算並沒有體現湍流是怎樣影響星子的形成。這並不是說新的理論肯定是錯誤的，只是需要做更多的工作，而且這個問題本質上又非常複雜。

到目前為止，沒有太多的觀測證據可以證明這個新理論，雖然智利阿塔卡馬大型毫米波陣列望遠鏡已經觀測到原行星盤中有環形結構，這個結構也可能是「塵埃陷阱」。但是現在的設備還不能觀測到塵埃形成行星的更多細節。Laughlin認為：「如果這是星子形成的最終定論，我會非常驚訝。」

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