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恒星系统也会护犊子!设置屏障,保护新生行星不被恒星吞噬!

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由马克斯·普朗克天文学研究所马里奥·福洛克(Mario Flock)领导的一组天文学家进行数值模拟表明,年轻恒星系统天生就具有“婴儿防护能力”:物理机制结合在一起,使内部区域的年轻行星不会致命地坠入恒星。类似的过程也会让行星在接近恒星的地方诞生,从靠近恒星区域的乱石中诞生。其研究发表在《天文学与天体物理学》上,并解释了开普勒太空望远镜的发现,这些发现显示,大量超级地球在婴儿防护能力区域边缘非常接近地绕着恒星旋转。

恒星系统也会护犊子!设置屏障,保护新生行星不被恒星吞噬!

当一个孩子出生时,父母将确保他们已经对他们的家进行了婴儿防护,设置了安全屏障,让孩子远离特别危险的区域。关于行星形成的新研究表明,在年轻的行星系统中也发生了非常类似的事情。行星围绕着一颗年轻的恒星形成,这颗恒星被一片气体和尘埃包围着。在这个原生行星盘内,尘埃颗粒粘在一起,变得越来越大。几百万年后,直径已经达到了几公里。在这一点上,重力足够强大,将这些物体拉到一起形成行星,圆形物体,固体或具有固体核心,直径为几千公里或更多。内部边界上奇怪的拥挤就像蹒跚学步的孩子一样,在这样一个年轻的系统中,固体物体倾向于向各个方向运动,不仅围绕恒星运行,而且向内或向外漂移。对于已经相对靠近中心恒星的行星来说,这可能会成为潜在的致命因素。在恒星附近,只会遇到与地球相似固体表面的岩石行星。行星核心只能捕获和保存大量的气体,使之成为远离炽热恒星更远的气体巨星。但是,对恒星附近行星在原生行星盘气体中运动的最简单计算表明,这样的行星应该不断地向内漂移,以不到一百万年的时间尺度坠入恒星,这比原生行星盘的寿命短得多。

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如果这是整个画面,NASA开普勒卫星观测与太阳相似的恒星(光谱类型为F,G和K),发现了完全不同的东西,这是令人费解的:许多恒星都非常接近地围绕所谓的超级地球运行,即比地球质量更大的岩石行星。特别常见的是周期在12天左右的行星,周期低至10天。对于我们的太阳来说,这相当于大约0.1个天文单位的轨道半径,只有水星轨道半径的四分之一,水星是我们太阳系中最接近太阳的行星。

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这是马克斯·普朗克天文学研究所组长马里奥·福洛克(Mario Flock)与喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)、芝加哥大学(University Of Chicago)和伦敦玛丽皇后大学(Queen Mary University)同事们一起着手解决的难题。参与研究的研究人员是模拟行星诞生复杂环境的专家,对气体、尘埃、磁场和行星及其各种前体阶段的流动和相互作用进行建模。面对近轨道开普勒超级地球的明显悖论,开始详细模拟类太阳恒星附近的行星形成。

大型婴儿防护系统

结果是明确的,并提出了两个可能原因背后共同发生密切轨道的行星。第一,至少对于质量高达地球质量10倍的岩石行星(“超级地球”或“迷你海王星”)来说,这些早期恒星系统是可以保护婴儿行星的。使年轻行星远离危险区的安全屏障原理如下:离恒星越近,恒星的辐射就越强烈。内部边界称为硅酸盐升华前沿,圆盘温度上升到1200K以上,尘埃颗粒(硅酸盐)将转化为气体。该区域内极热的气体变得非常湍流。这种湍流以高速将气体输送到恒星,在这个过程中变薄了原行星盘的内部区域。

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当一个年轻的超级地球穿过气体时,通常伴随着气体在类似马蹄形的轨道路径上与行星共同旋转。当行星向内漂移并到达硅酸盐升华前沿时,从热的稀薄气体移动到边界外密度较大气体粒子给行星一个小小的踢。在这种情况下,气体将对行进中的行星施加影响(物理术语:扭矩),而至关重要的是,由于密度的跳跃,这种影响将把行星拉离边界,径向外。通过这种方式,边界起到了安全屏障的作用,防止年轻行星坠入恒星。而模拟所预测的类太阳恒星边界位置,与开普勒发现的轨道周期下限相对应。

边界上的行星建造还有另一种可能性:在追踪几毫米或几厘米大小的卵石状较小物体运动时,研究人员发现,这些卵石倾向于紧密地聚集在硅酸盐升华前沿的后面。为了使压力在边界处直接平衡,过渡区域中的薄气体需要比通常更快地旋转(因为必须在压力和离心力之间保持平衡)。这种气体自转速度比孤立粒子独自绕恒星运行时的“凯普勒”轨道速度要快。进入这个过渡区域的卵石被迫以比凯普勒更快的速度运动,并在相应的离心力将其向外推时立即再次弹出,就像一个小孩子从旋转木马的平台上滑落一样。

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这也有助于接近轨道的超级地球频率,不仅以前形成的超级地球收集了一个婴儿防护屏障。卵石聚集在那个屏障上的事实也为在那个位置新形成的超级地球提供了理想条件。对研究人员来说,这一结果并不完全出乎意料。事实上已经在更重的恒星模型(“HerBig Stars”)中发现了类似的卵石陷阱,尽管它们与恒星的距离要远得多。新结果将其扩展到类似太阳的恒星,并为新生行星添加了婴儿保护机制。此外,新研究论文是第一篇提供与开普勒空间望远镜统计数据进行比较的研究。

我们的太阳系呢?有趣的是,根据这些标准,我们的太阳系也可能拥有一颗比目前最内侧的行星水星更接近太阳的类地行星。但没有这样的行星的事实是统计上的侥幸,还是这样的行星存在并在某个时候被从太阳系内部弹射出来?这是一个值得进一步研究的有趣问题,这不仅是因为太阳系有婴儿防护能力,有可能这样保护的婴儿已经‘飞出了巢穴’。

博科园|研究/来自:马克斯·普朗克学会

参考期刊《天文学与天体物理学》

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