科學(xué)家在近鄰原行星盤的類地行星形成區(qū)域拍攝到盤風(fēng)
(資料圖)
由中國科學(xué)院紫金山天文臺和北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所帶領(lǐng)的國際團(tuán)隊(duì)，報告了迄今為止最高空間分辨率的原行星盤的盤風(fēng)發(fā)射圖像（分辨能力達(dá)到3.7 AU），可對類地行星形成的區(qū)域的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析研究。該團(tuán)隊(duì)使用當(dāng)前最先進(jìn)的數(shù)值模擬并與觀測結(jié)果比對。觀測結(jié)果改變了科學(xué)家對原行星盤演化過程的認(rèn)知。6月19日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表《自然-天文學(xué)》上。
太陽系內(nèi)的行星以及目前已探測到的數(shù)以萬計的系外行星均形成于原行星盤中。隨著觀測設(shè)備的發(fā)展和計算能力的提升，關(guān)于原行星盤物理和行星形成的認(rèn)知有了重大革新。而測量原行星盤“類地行星”的形成區(qū)域依舊頗具挑戰(zhàn)性。這些區(qū)域離中心恒星較近、空間尺度較小，因而觀測上極難分辨。
目前，一般認(rèn)為三種機(jī)制決定原行星盤演化，即行星形成、吸積活動、盤風(fēng)。盤風(fēng)大致可分為兩種——離恒星較近部分由磁流體動力學(xué)（MHD）機(jī)制驅(qū)動，而距恒星較遠(yuǎn)部分或可由光致蒸發(fā)（photoevaporation）驅(qū)動。在觀測上，這兩種機(jī)制可由中性氧原子的發(fā)射線進(jìn)行測量、表征和區(qū)分。
研究團(tuán)隊(duì)借助MUSE儀器（依托于甚大望遠(yuǎn)鏡，由歐洲南方天文臺運(yùn)營），對離我們最近的原行星盤TW Hya的中性氧發(fā)射線進(jìn)行了高空間分辨率觀測研究。研究表明，該發(fā)射線在空間上集中于盤中心附近、形成類地行星的較小區(qū)域內(nèi)（如圖）。這意味著發(fā)出該譜線的中性氧原子幾乎全部由靠近中央恒星的磁流體力學(xué)盤風(fēng)攜帶。盡管結(jié)果中可能有光致蒸發(fā)盤風(fēng)的跡象，但其發(fā)射太弱，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有光致蒸發(fā)盤風(fēng)模型的預(yù)期。
該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步嘗試使用先進(jìn)數(shù)值模擬手段（包含非理想磁流體力學(xué)、輻照、非平衡態(tài)化學(xué)熱力學(xué)等過程）對觀測結(jié)果進(jìn)行比對解釋。基于磁流體力學(xué)驅(qū)動盤風(fēng)數(shù)值模擬結(jié)果，該研究進(jìn)行了自洽的中性氧發(fā)射線模擬。在無修正和調(diào)整的情況下，該模擬結(jié)果完全解釋了觀測結(jié)果（包括譜線的空間分布、譜線輪廓和強(qiáng)度）。TW Hya的氖發(fā)射線一直被認(rèn)為是支持其存在光致蒸發(fā)盤風(fēng)的最強(qiáng)的證據(jù)，而該數(shù)值模擬也解釋了氖發(fā)射線。
本研究為原行星盤演化物理機(jī)制的進(jìn)一步研究鋪平了道路，并將基于其他先進(jìn)設(shè)備特別是中國空間站工程巡天望遠(yuǎn)鏡（CSST）以進(jìn)行更好的觀測。CSST計劃配備的積分視場光譜儀（IFS）可用于本工作的拓展研究，而該儀器具有的極高空間分辨率將使其成為檢驗(yàn)原行星盤演化機(jī)制的利器。
研究工作得到CSST第一批課題“恒星形成與大質(zhì)量恒星演化”等的支持。北京大學(xué)和法國里昂第一大學(xué)的科研人員參與研究。
論文鏈接
左圖顯示了從VLT/MUSE觀測的TW Hya中提取的氧發(fā)射線分布圖，物理分辨率約為3.7個日地距離。右圖顯示了氧發(fā)射的徑向分布，經(jīng)過MUSE的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)卷積后，與磁風(fēng)的預(yù)期一致，在盤半徑較大的區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于光蒸發(fā)風(fēng)的預(yù)期。
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