在新生恆星周圍發現了三顆嬰兒行星

兩個獨立的天文學家小組發現了令人信服的證據，證明三顆年輕行星圍繞著一顆被稱為HD 163296的恆星運轉。天文學家採用一種新的行星發現策略，在一顆年輕恆星的充滿氣體的圓盤中發現了三種離散的擾動：迄今為止最有力的證據表明，新形成的行星正在那裡的軌道上運行。在過去的幾年裡，阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列(ALMA)已經改變了我們對圍繞年輕恆星的原行星行星——充滿氣體和塵埃的行星工廠的理解。這些圓盤上的光環和空隙為行星的存在提供了有趣的環境證據。然而其他現象可以解釋這些誘人的特徵。

圍繞著一顆年輕恆星形成的原行星概念圖。圖片：NRAO/AUI/NSF; S. Dagnello

兩組天文學家利用一種新的行星搜尋技術，在原行星盤內識別出不尋常的氣體流動模式，確認了新形成的行星圍繞著我們星系中的一顆嬰兒恆星運轉的明顯的、有證據的特徵。這些結果發表在《天體物理學雜誌快報》上的兩篇論文中。密歇根大學的天文學家理查德·梯格說：我們觀察了恆星原行星盤中局部的、小規模的氣體運動。為了實現各自的發現，每個研究小組分析了各種阿爾瑪觀測到的年輕恆星HD 163296的數據。HD 163296大約有400萬年的歷史，距離地球約330光年，位於人馬座的方向上。

天文學家沒有把注意力集中在圓盤內的塵埃上，這在早期的阿爾瑪觀測中得到了清晰的影像，相反，他們研究了整個圓盤中一氧化碳氣體的分布和運動。CO分子自然地發出一種非常獨特的毫米波長的光，ALMA可以觀察到。由於多普勒效應，光線波長的細微變化提供了對圓盤中氣體運動的一瞥。如果沒有行星，氣體就會以一種非常簡單、可預測的模式圍繞恆星運動，這種模式被稱為開普勒旋轉。澳大利亞莫納什大學(Monash University)的克里斯托夫·平特(Christophe Pinte)表示：這將需要一個相對巨大的物體，像一個行星，在這個有序的運動中產生局部擾動。我們的新技術應用了這一原理來幫助我們理解行星系統是如何形成的。

阿爾瑪的早期恆星HD 163296周圍的原行星盤圖像。圖片：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); A. Isella; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

Teague領導的研究小組在圓盤上發現了兩種不同的類行星模式，一種是距恆星約80天文單位(AU)，另一種是140天文單位(AU)。(天文單位是地球到太陽的平均距離，約為1.5億公里。)另一個由平特帶領的團隊發現了第三顆恆星，距離恆星約260 AU。天文學家計算出這三顆行星的質量與木星相似。這兩支隊伍採用了相同技術的變化，他們觀察了氣體流動中的異常現象——正如所看到的CO排放量變化的波長——這表明它與一個巨大的物體相互作用。蒂格和他的團隊測量了氣體速度的變化。這揭示了多顆行星對靠近恆星的氣體運動的影響。Pinte和他的團隊更直接地測量了氣體的實際速度，這對於研究圓盤的外部更有利，也能更準確地確定一個潛在行星的位置。

檢測原行星

儘管在過去的幾十年里已經發現了成千上萬顆系外行星，但探測原行星是在科學的前沿，目前用於在完全形成的行星系統中發現系外行星的技術——比如測量恆星的擺動或者凌日行星如何降低恆星的亮度——並不適合探測系外行星。阿爾瑪的HD 163296和其他類似系統的驚人圖片揭示了有趣的同心圓模式和原行星盤的間隙。這些空隙可能是原始行星將塵埃和氣體從軌道上沖走的證據，其中一些塵埃和氣體會進入它們自己的大氣層。先前對這顆恆星圓盤的研究表明，塵埃和氣體間隙重疊，表明至少有兩顆行星在那裡形成。然而，蒂格指出，這些最初的觀測只是提供了間接證據，不能用來準確估計行星的質量。由於其他的機制也會在原行星盤上產生環隙，所以我們無法斷定行星僅僅是通過觀察圓盤的整體結構而存在的。

最新的創新

天文學家指出，更有說服力的探測的關鍵在於梳理出一氧化碳氣體的細微速度特徵。儘管塵埃在行星形成中扮演著重要角色，並提供了無價的信息，但氣體占原行星盤質量的99%，」卡內基科學研究所的聯合作者Jaehan Bae說。因此研究氣體的運動學是至關重要的。由於多普勒效應，氣體從原行星盤發出的光會根據氣體相對於地球的運動而改變其波長。「這類似於多普勒技術用於發現完全形成的行星，」Flatiron研究所的共同作者Dan Foreman-Mackey說。「儘管我們並不是在觀察恆星擺動時波長的變化，而是深入到盤的深處，看看細微的變化是如何發生的。

阿爾瑪發現了令人信服的證據，證明三顆年輕的行星圍繞著幼小的恆星HD 163296運轉。利用一種新的行星探測技術，天文學家已經確定了年輕恆星的充氣圓盤上的三次離散擾動:最有力的證據表明新形成的行星在軌道上運行。這些被認為是阿爾瑪發現的第一顆行星。這張圖片顯示了阿爾瑪數據集的一部分，在一個波長，並揭示了一個清晰的「扭曲」在材料，明確地指出存在一個行星。圖片：ESO, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); Pinte et al.

阿爾瑪驚人的解析度使研究人員能夠測量整個圓盤的一氧化碳速度模式。精確度令人難以置信，」慕尼黑大學天文台的共同作者Til Birnstiel說。在一個氣體以每秒5公里的速度旋轉的系統中，阿爾瑪發現速度變化很小，只有每秒幾米。這讓我們能夠發現，在一個圓盤上，與預期的正常旋轉有很小的偏差。行星在它們的軌道附近改變氣體的密度，從而改變氣體的壓力，導致相應的速度變化。莫納什大學的丹尼爾·普賴斯說：我們將觀測結果與計算機模型進行了對比，結果表明觀測到的流動與圍繞一顆新生行星的流動模式的預測非常吻合，其質量是木星的幾倍。」這項新技術使天文學家能夠更精確地估計原行星的質量，並且不太可能產生假陽性結果。密歇根大學的Ted Bergin說：我們正在把阿爾瑪帶到行星探測領域。

通常在科學中，想法是行不通的，或者假設是錯誤的，這是一個結果比我想像的要令人興奮得多的例子。法國格勒諾布爾大學的合著者Francois Menard說：這些研究還將幫助我們了解太陽系中的行星是如何誕生的。這兩個團隊將繼續改進這種方法，並將其應用到其他磁碟上，在那裡他們希望更好地了解大氣是如何形成的，以及在其誕生時，哪些元素和分子被送到了一個行星上。這項研究發表在《天體物理學雜誌快報》的同一版上的兩篇論文中。第一個是由C. Pinte等人命名的「環繞恆星盤中嵌入的原行星的運動學證據」，第二個是R. Teague等人的「兩個不可見的木星質量嵌入的原行星的運動學檢測」。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻：天體物理學快報｜來自：國家射電天文台

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