新研究称，新生气态行星可能出奇地平坦

　　一位艺术家对太阳系外行星“热木星”的概念。鸣谢:uux.cn/美国国家航空航天局/JPL加州理工学院

　　据对话（迪米特里斯·斯塔马特洛斯）：一颗新的行星在一个由气体和尘埃组成的旋转圈里开始了它的生命，这个旋转圈被称为原恒星盘。我和我的同事利用计算机模拟显示，这些盘中的新生气体行星很可能具有令人惊讶的扁平形状。这一发现发表在《天文学和天体物理学快报》上，可能会增加我们对行星形成的确切了解。

　　观察刚刚形成并仍在其原恒星盘中的原行星是极其困难的。到目前为止，只有三颗这样年轻的原行星被观测到，其中两颗在同一个系统PDS 70中。

　　我们需要找到年轻的系统，距离我们的望远镜足够近，能够探测到来自行星本身的昏暗光线，并将其与圆盘的光线区分开来。行星形成的整个过程只持续几百万年，从天体物理学的角度来看，这不过是一眨眼的功夫。这意味着我们需要运气才能在形成过程中抓住它们。

　　我们的研究小组进行了计算机模拟，以确定气态原行星在行星摇篮中各种热条件下的特性。

　　模拟具有足够的分辨率，能够从早期阶段跟踪盘内原行星的演化，当时它只是盘内的一个冷凝物。这种模拟对计算要求很高，是在英国天体物理超级计算设施DiRAC上运行的。

　　通常情况下，一个圆盘内会形成多个行星。研究发现，原行星的形状被称为扁球体，像Smarties或M & M‘s，而不是球形。它们主要通过两极而不是赤道吸入气体来增长。

　　从技术上讲，我们太阳系中的行星也是扁球体，但它们的扁平度很小。土星的扁平率为10%，木星为6%，而地球仅为0.3%。

　　相比之下，原行星的典型扁平率为90%。这种变平将影响原行星的观测属性，在解释观测结果时需要考虑到这一点。

　　行星是如何开始的

　　最广为接受的行星形成理论是“核心吸积”理论。根据这个模型，比沙子还小的微小尘埃颗粒相互碰撞，聚集在一起，逐渐成长为越来越大的物体。这实际上就是你床下的灰尘没有清理时的情况。

　　一旦形成足够大质量的尘埃核心，它就会从圆盘中吸取气体形成一颗气态巨行星。这种自下而上的方法需要几百万年的时间。

　　相反的，从上到下的方法，是磁盘不稳定理论。在这个模型中，伴随年轻恒星的原恒星盘是引力不稳定的。换句话说，它们太重而无法维持，因此碎裂成碎片，进而演变成行星。

　　核心吸积理论已经存在很长时间了，它可以解释我们太阳系如何形成的许多方面。然而，盘的不稳定性可以更好地解释我们近几十年来发现的一些系外行星系统，例如那些气态巨行星的轨道距离其主恒星非常非常远的系统。

　　这一理论的吸引力在于行星的形成非常快，在几千年内就形成了，这与表明行星存在于非常年轻的盘中的观察结果一致。

　　我们的研究重点是通过圆盘不稳定性模型形成的气态巨行星。它们是扁平的，因为它们是由一个原本扁平的结构原恒星盘压缩形成的，还因为它们的旋转方式。

　　没有平坦的地球

　　尽管这些原行星总体上非常平坦，但它们的内核（最终将演变为我们所知的气态巨行星）没有那么平坦——只有大约20%。这只是土星扁率的两倍。随着时间的推移，它们有望变得更加球形。

　　像地球和火星这样的岩石行星无法通过圆盘不稳定性形成。人们认为它们是由灰尘颗粒慢慢聚集成鹅卵石、岩石、千米大小的物体并最终形成行星而形成的。它们密度太大，即使是新生的也不会明显变平。地球年轻时不可能被压扁到如此高的程度。

　　但是我们的研究确实支持在某些行星系统的某些世界中圆盘不稳定性的作用。

　　我们现在正从系外行星发现的时代转向系外行星表征的时代。许多新的观测站即将投入使用。这些将有助于发现更多嵌入其圆盘的原行星。计算机模型的预测也变得越来越复杂。

　　这些理论模型和观测结果之间的比较使我们越来越接近理解我们太阳系的起源。