奇异星系内行星形成速度超出理论预期，天体物理学家或需因此改进现有理论

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HL Tau 是一颗形成还不到100万年的恒星，位于智利的 ALMA 天文望远镜阵列（the Atacama Large Millimeter Array）曾于四年前发现该恒星附近明亮的盘状尘埃区域中存在空隙，当时天文学家们认为，最可能的解释是该恒星附近存在着一些我们尚未观测到的行星，尘埃在这些行星的形成过程中被聚到了一起，并在尘埃分布区中留下了空隙。然而，根据现有理论，如此年轻的恒星至少还需数百万年才能开始在自身附近形成行星，天文学家们也因此曾认为HL Tau星系或许具备某些特殊条件，但 ALMA 于最近完成的对20多个年轻恒星附件的盘状尘埃调查显示，HL Tau 星系并不具备那些能引出其他解释的特殊条件。

 

普林斯顿大学的 Joshua Winn 说：“这些新的观测结果或能为我们现有的星系形成理论带来变革。”

 

目前的主流理论认为，星系内的行星由“核心吸积（core accretion）”过程形成，也就是通过散落在恒星附近的尘埃粒子的碰撞以及吸附先逐渐形成小的岩石块，而随着这些小岩石块在进一步吸附周边尘埃后逐步变大，它的引力也会逐渐增强，变的越来越容易吸附其周边的尘埃颗粒，并最终在数百万年后形成一颗行星。

 

然而，根据上周在天体物理快报（The Astrophysical Journal Letters）上就 ALMA 近期观测结果所发表的10篇论文，HL Tau 系统内的这些“尚未被观测到的行星”若真的存在，它们的形成时间则远早于理论预期。

 

图 | 新的观测结果显示，一些年轻恒星系统内的行星形成速度要远高于现有理论的预期（图源：S.ANDREWS, ET AL./ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); S. DAGNELLO/NRAO/AUI/NSF）

现有理论认为轨道距恒星的远近决定了行星形成的速度，离得越远运动速度越慢，尘埃的聚集速度也就越慢，但新的观测结果显示，即使是年仅30万岁的恒星系统内也存在着尘埃区域空隙，其中一些空隙与恒星本身相距甚远，甚至超过了海王星到太阳的轨道距离。

 

虽然有一种理论认为由盘状尘埃中的团块和结构的不稳定性所造成的自身引力塌陷或能加速行星的形成，但剑桥大学天文研究所的 Marco Tazzari 指出，新的观测对象中几乎没有象征结构不稳定的螺旋臂结构系统，Tazzari 说：“我们目前还无法解释这种现象。”

 

虽然对现有理论提出了新的问题，但新的观测结果也缓解了此前威胁“核心吸积”模型的一个危机，证明了现实中直径以厘米为单位的尘埃颗粒并不会因周围气体的阻力迅速落入恒星，盘状尘埃会持续存在直至行星形成。Tazzari 说：“高密度尘埃环或能捕获周围尘埃，阻止尘埃向恒星靠近，使这些形成行星的原料得以保存。”

 

剑桥大学的 Roman Rafikov 说：“目前，所有对观测所发现的新问题所提出的解释都建立在‘存在未被观测到的行星’的基础上，但系统内雪线上的压力变化或能使气体被冻结在尘埃颗粒上，而系统内的磁场也有可能会使带电尘埃粒子聚在一起，我们所观测到的也可能是多种机理共同作用的结果，但要解决这一问题，我们必须对这些年轻恒星系统进行进一步的观测。”

 

ALMA 和其他一些射电望远镜阵列具备有效观测系统盘状尘埃中占其总质量99%的气体的能力，比如观察气体中是否存在类似的空隙，并以此帮助天体物理学家进一步了解气体与尘埃间的相互作用。

 

Tazzari 说：“此次 ALMA 的观测结果无疑将会为星系的形成理论带来变革，行星的形成或会因此从理论领域正式变为一个独立的观测领域。”

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参考：https://www.sciencemag.org/news/2018/12/planets-probably-lurk-gaps-these-stellar-disks-how-did-they-form-so-fast

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