通过气体运动，科学家发现新生恒星周围三颗婴儿行星

▲在一颗年轻恒星周围形成的原行星的艺术想象图。

两个独立的天文学家团队发现了令人信服的证据，三颗年轻行星在围绕一颗被称为HD 163296的婴儿恒星的轨道上运动。天文学家使用一种在原行星盘内的气体流中确认异常特征的行星搜寻新技术，确认了新形成的行星围绕我们星系中的婴儿恒星的明显标志：一颗年轻恒星充满气体的盘中的三个离散的扰动源——这是新形成的行星在那里做轨道运动的最强证据。近日发表在《天体物理杂志快报》上的两篇文章描述了这些结果。

“我们对一颗恒星的原行星盘中局域化的小尺度气体运动进行了研究。这种全新的方法可以发现我们星系中一些最年轻的行星，这完全要感谢来自ALMA的高分辨率图像。”美国密歇根大学天文学家、其中一篇文章的主要作者 Richard Teague说。

两个研究组都分析了年轻恒星HD 163296的各种ALMA的观测数据，获得了各自的发现。HD 163296年龄大约四百万年，位于射手座方向，距离地球大约330光年。

天文学家没有关注早先ALMA观测中清晰可见的原行星盘中的尘埃，而是研究了盘中一氧化碳（CO）气体的分布和运动。CO分子自然地发出ALMA可以观测的一种独特的毫米波长的光。由于多普勒效应导致的光波长的微小变化让我们看到盘中气体的运动。

如果没有行星，气体将以一种非常简单、可预测的模式围绕恒星运动，称为开普勒转动。

“一个质量相对大的天体，比如行星才能在这种有序的运动中产生局域扰动。”其中一篇文章的第一作者、澳大利亚莫纳什大学的Christophe Pinte 说。“我们的新技术使用这个原理帮助我们理解行星系统如何形成。”

Teague领导的研究组确认了盘中的两个不同的类似行星的图案，一个距离恒星80天文单位（AU），另一个距离140 AU。（一个天文单位是地球到太阳的平均距离，大约一亿五千万千米。）另一个由Pinte领导的研究组确认了距离恒星大约260 AU的第三颗行星。天文学家计算得到三颗行星的质量都和木星类似。

这两个研究组使用了同一种技术的不同变种。这种技术研究气体流中由CO辐射波长移动所看到的异常，这可能表明它在与一个大质量天体相互作用。

Teague和他的研究组测量气体速度的变化。这揭示了多颗行星对恒星附近气体运动的影响。

Pinte和他的研究组更直接地测量了气体的真实速度，这对于研究原行星盘的外部更好，可以更精确地确定一颗潜在行星的位置。

“尽管过去几十年发现了数千颗系外行星，但是探测原行星是科学前沿。”Pinte说。目前用于寻找已经形成的系外行星系统中的行星的技术——例如测量恒星的摆动或者掩食行星怎么减弱星光——不能探测原行星。

天文学家指出，更确切的探测的关键在于从一氧化碳气体中找到微小尺度的速度结构。研究人员指出，虽然尘埃在行星形成中起到了重要作用并且提供了宝贵的信息，但气体占了原行星盘质量的百分之九十九，因此研究气体运动至关重要。

由于多普勒效应，原行星盘中气体发出的光会因为气体的相对运动而改变波长。研究人员解释，这类似于用于寻找已经形成的行星的多普勒技术。他们不是看恒星摆动产生的波长改变，而是深入到盘中看这些小尺度变化是如何发生的。

ALMA极高的分辨率让研究人员能够测量整个盘中一氧化碳的速度模式。研究人员表示该精度是令人难以置信的。在一个气体以大约5千米每秒速度转动的系统中，ALMA探测到了几米每秒的速度变化，这使得研究人员能够发现对一个盘中预期的普通转动非常小的偏离。行星改变靠近它们轨道的气体密度，这会改变气体的压强，导致相应的速度变化。

研究人员将观测与计算机模型比较，表明观测到的流动与预期的一颗质量是木星数倍的新生行星周围的流动模式非常吻合。这项新技术使得天文学家更精确地估计原行星质量，产生假阳性结果的可能性更低。研究人员表示，该研究将ALMA带到了行星探测领域的突出位置，也将帮助人们理解与太阳系中行星类似的那些行星是怎么诞生的。

两个研究组都将继续改进这个方法并将会把它应用到其他原行星盘。他们希望更好地理解那里的大气是怎么形成的，以及在一颗行星形成时有什么元素和分子。

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  编译：钱磊 审稿：alone  编辑：程建兰

来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2018/06/180613101928.htm