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ALMA揭示了行星富含碳的有机诞生环境

殷家群
摘要 使用阿塔卡马大型毫米波 亚毫米波阵列 (ALMA) 的科学家的国际合作已完成对附近五颗年轻恒星周围原行星盘的最广泛化学成分图谱绘制,生成

使用阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列 (ALMA) 的科学家的国际合作已完成对附近五颗年轻恒星周围原行星盘的最广泛化学成分图谱绘制,生成的图像捕捉了与行星诞生相关的分子成分,以及未来研究行星和彗星形成区域构成的路线图。这项新研究揭示了分子在行星系统形成中的作用的线索,以及这些正在形成的年轻行星系统是否具备承载生命所需的条件。该计划的结果,适当地称为 MAPS,或行星形成尺度上的 ALMA 分子,将出现在即将出版的天体物理学杂志增刊的20 篇特别版中系列。

行星形成于围绕年轻恒星的称为原行星盘的尘埃和气体盘中。这些圆盘的化学成分可能会对行星本身产生影响,包括行星形成的方式和地点、行星的化学成分以及这些行星是否具有维持生命所需的有机成分。MAPS 专门研究了围绕年轻恒星 IM Lup、GM Aur、AS 209、HD 163296 和 MWC 480 的原行星盘,其中已经检测到正在进行的行星形成的证据。该项目带来了多项激动人心的发现,包括尘埃和化学亚结构之间的联系,以及恒星内部圆盘区域中存在大量有机分子。

“通过 ALMA,我们能够看到分子如何分布在系外行星目前正在组装的地方,”天体物理中心的天文学家 Karin Öberg 说 | 哈佛史密森学会 (CfA) 和 MAPS 的首席研究员。“我们看到的真正令人兴奋的事情之一是,这五颗年轻恒星周围的行星形成盘是一类特殊有机分子的工厂,即所谓的腈类,它们与地球上生命的起源有关。”

由于 ALMA 波段 3 和波段 6 接收器的灵敏度和分辨率,在整个项目中以前所未有的细节观察到了简单的有机分子,如 HCN、C2H 和 H2CO。“特别是,我们能够观察到圆盘内部区域中有机小分子的数量,那里可能聚集了岩石行星,”智利天主教大学天文学家、第一作者 Viviana V. Guzmán 说在 MAPS VI 和 MAPS 联合首席研究员。“我们发现我们自己的太阳系并不是特别独特,其他恒星周围的其他行星系统有足够的基本成分来形成生命的基石。”

科学家们还观察到了更复杂的有机分子,如 HC3N、CH3CN 和 c-C3H2,尤其是那些含有碳的分子,因此最有可能作为更大的益生元分子的原料。尽管以前在原行星盘中检测到这些分子,但 MAPS 是第一个以非常高的空间分辨率和灵敏度跨多个盘进行的系统研究,也是第一个在小尺度和如此大量发现分子的研究。“我们发现的大有机分子比预期的要多 10 到 100 倍,它们位于太阳系尺度的内盘中,它们的化学性质看起来与太阳系彗星的化学性质相似,”约翰·伊利说。利兹大学的天文学家和 MAPS IX 的主要作者。”

然而,分子并非均匀分布在行星形成的圆盘上,正如 MAPS III 和 IV 所证明的那样,这表明虽然一般的圆盘组成似乎与太阳系相似,但在高分辨率下放大揭示了组成的一些多样性导致行星与行星之间的差异。“原行星盘中的分子气体通常存在于一组不同的环和间隙中,”CfA 天文学家、MAPS III 和 IV 的主要作者 Charles Law 说。“但是在不同的分子发射线中观察到的同一个圆盘通常看起来完全不同,每个圆盘都有多个分子面。这也意味着不同圆盘中的行星甚至在不同位置的同一个圆盘中的行星可能在完全不同的化学环境中形成。”

其中一种截然不同的环境发生在类木行星周围的空间中,科学家们发现这种气体中碳、氧和较重元素的含量很低,而富含碳氢化合物,如甲烷。密歇根大学天文学家、MAPS VII 的主要作者亚瑟·博斯曼 (Arthur Bosman) 说:“在原行星盘中看到的化学物质应该通过形成行星来遗传。” “我们的研究结果表明,许多气态巨行星可能形成于极度贫氧(富含碳)的大气中,挑战了目前对行星组成的预期。”

总而言之,MAPS 提供的正是这一点:一张供科学家遵循的地图,将原行星盘中的气体和尘埃与最终由它们形成的行星之间的点连接起来,以创建一个行星系统。“行星的组成是它形成所在盘中位置的记录,”博斯曼说。“连接行星和磁盘组成使我们能够窥视行星的历史,并帮助我们了解形成它的力量。”

国家科学基金会 (NSF) 的天文学家和 ALMA 项目官员 Joe Pesce 说:“地球以外是否存在生命是人类的基本问题之一。我们现在知道行星无处不在,下一步是确定它们是否存在我们所知道的生命所必需的条件(以及这种情况可能有多普遍)。MAPS 计划将帮助我们更好地回答这些问题。ALMA 对远离地球的生命前兆的探索补充了在实验室和热液喷口等地方进行的研究在地球上。”

Öberg 说:“MAPS 是科学家们使用 ALMA 及其前体对行星形成盘的化学进行数十年工作的结晶。虽然 MAPS 目前只调查了五个盘,但我们不知道这些盘的化学复杂性和视觉效果如何磁盘直到现在才真正出现。MAPS首先回答了我们几十年前无法想象的问题,并且还为我们提供了更多的问题来回答。”