恒星周围的“雪线”,讲述太阳系年轻时的故事

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艺术家的构想:长蛇座TW的星盘上,内侧的颗粒上覆盖了冰(蓝色部分),靠外的颗粒上覆盖了CO固体(绿色部分),蓝色和绿色交接的地方即标志出了雪线。来源:Bill Saxton and Alexandra Angelich, NRAO/AUI/NSF

在地球上,雪线通常处于较高的海拔高度,随海拔升高而下降的温度使湿气凝结成雪。在星系形成早期,恒星周围的雪线则来源于原行星盘中遥远、寒冷的地带。日前,美国天文学家利用阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA)望远镜,拍下了一个早期“太阳系”内的雪线图片,这些冰冷的地域对新生恒星周围的行星形成和化学构成有着非常重要影响,相关研究结果日前在《科学》发表。

长蛇座TW是一颗距离地球约175光年的年轻恒星,在它的周围,ALMA望远镜发现了之前从未见到过的CO雪线。天文学家相信,这个初期“太阳系”,和我们的太阳系只有几百万年大的时候,一定有着许多相同的特征。美国哈佛-史密森尼天体物理中心的研究人员漆春华说:“ALMA给了我们第一张年轻恒星周围的雪线的真实图片,这是非常令人兴奋的。这张图片告诉我们,太阳系在非常年轻的时候是怎样的。” 

在恒星的周围,我们熟悉的水(H2O)会首先冻结,随着离开恒星的距离增大,二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和一氧化碳(CO)等气体也被冻结,给星盘中的尘埃颗粒蒙上一层霜。这些尘埃颗粒便是将来构筑行星和彗星的“砖块”。“关于其他这个‘太阳系’的冰冻外缘,我们现在能看到之前被藏起来的细节——和太阳系的年龄还不到1000万岁时一样的细节。”漆春华说。此前,探测雪线只能依靠分析雪线的光谱特征,雪线从未被直接拍摄下来,因此它们的精确位置和规模都无法确定。

这是因为雪线只在相对狭窄的原行星盘中心面形成。这个区域之上或之下,恒星辐射使气体保持温暖,不会冻结。只有在星盘中心面的区域里,集中的尘埃和气体所产生的绝热效果才能让温度降低到使CO和其他气体冻结。外缘的雪线像茧一样包裹着内部的灼热气体,也隔绝了天文学家的视线,使得透过冻结的区域窥视星盘内部相当困难。“这就好比透过浓雾寻找一小片阳光。”和漆春华一同领导这项国际研究的哈佛大学研究者卡林·奥伯格(Karin Oberg)说。

然而,通过追踪二亚胺氮鎓离子(HN2+)的踪迹,天文学家得以穿透其间的CO“浓雾”。CO气体的存在会轻易地破坏脆弱的HN2+,只在CO被冻结的区域才能检测得到HN2+——因此,HN2+成为了CO固体存在的标志。HN2+在光谱的毫米级的部分很亮,因此可以被ALMA这样的射电望远镜检测到。

ALMA特有的灵敏度和分辨率让天文学家得以追踪HN2+的存在和分布情况,从而发现一条清晰的雪线边界。这条边界距离长蛇座TW大约30个天文单位(1个天文单位的长度为地日距离)。“利用这项技术,我们能创建长蛇座TW周围的CO雪线底片。”奥伯格说:“这样我们就能精确地看到CO雪线的理论位置——HN2+分布的内缘。”

ALMA望远镜拍摄的长蛇座TW(白色五角星标记处)周围形成的CO固体(绿色部分)。如果用太阳系作类比,蓝色圆环所标记的就是海王星的轨道。来源:Karin Oberg, Harvard University/University of Virginia


上图去掉蓝色圆环后的样子。来源同上。

天文学家相信,雪线在“太阳系”的形成中扮演着重要角色。它们给尘埃颗粒裹上一层粘粘的外壳,帮助尘埃颗粒克服相互碰撞和自毁的趋势。此外,雪线的存在也增加了用于形成行星的固体的数量,这可能显著加快行星的形成。每一种不同的雪线还都可能与特定种类行星的形成有关:在与太阳类似的恒星周围,雪线可能对应木星的轨道,而CO雪线则可能对应海王星的轨道。CO固体的转变也可能标志着像冥王星这样的矮星,以及像彗星那样的小型冰体形成的起点。

奥伯格指出,CO雪线之所以有趣,是因为甲醇的形成需要CO,而甲醇是构成生命所需的复杂有机物的一种原料。彗星和小行星能把这些分子带到新生的、像地球一样的行星,在那里留下生命的组分。

目前,这些发现只是利用ALMA望远镜全部66台天线中的一部分所得到的结果。研究者希望未来运用全部阵列进行的观察能够揭开其他雪线的真面目,并提供关于行星形成及演化的深刻认识。

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文章来源:EurekAlert!
文章图片:见图片标注

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