天文学家们捕捉到了一个星系的瞬间,正当固体颗粒开始形成行星。这一快照揭示了行星是如何从早期固体中开始形成的,正如地球早期的故事。
这颗新生恒星HOPS-315位于猎户座,距离我们大约1300光年,约76倍万亿英里。
围绕这颗恒星旋转的是一个气体和尘埃的圆盘,在这个圆盘中,温度足够高,可以将岩石烘烤,但又凉爽到足以让这些岩石重新形成。
来自莱顿大学的梅利莎·麦克卢尔领导了这一国际团队,研究人员们拼凑出了这一行星组装的早期时刻。
这一发现为研究人员提供了一个实时实验室,映射出我们的太阳系故事的开篇。
在原始的陨石中,微小的钙铝丰富的包含物告诉我们,太阳系的时钟在46.57亿年前开始滴答。
这些包含物是从炽热的蒸汽中凝结而成,初步为我们所知的每一个类地行星播下了种子。
由于时钟的启动与凝结有关,因此捕捉这一步骤在太阳以外一直是天文学家的“白鲸”。
此次新的观测标志着任何望远镜首次看到气相的一氧化硅(SiO)与新近结晶的硅酸盐共同存在于原行星盘的同一区域。
麦克卢尔的团队发现这些矿物位于与我们小行星带相当的轨道范围内。
这一匹配非常重要,因为它将早期化学反应固定在一个后来为地球提供水分和金属的区域。
在HOPS-315周围形成晶体
詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)通过收集红外光,穿透HOPS-315周围的尘埃保护罩,揭示了热SiO分子的独特指纹。
这些分子在约2200华氏度的温度下发光,这一温度足以蒸发大多数常见的岩石。
然后,阿塔卡马大型毫米/亚毫米波干涉仪(ALMA)以毫米波长测量了同一区域,绘制出发光的来源。
通过结合这两种视图,科学家们确认在离星星不远于2天文单位的环状区域中,气体和固体形式的硅同时存在。
处理这些观测数据的过程复杂,因为HOPS-315还驱动着一个富含SiO的喷流。
研究团队通过检查速度,分解了喷流的信号与圆盘的信号,喷流气体向外飞速扩散,而圆盘物质则在平稳轨道上运行。
最后一步是比较不同SiO线的亮度。
比例匹配活跃凝结的实验室预期,为研究结果提供了更多的信心。
正在形成的气体与晶体的行星
当冷却的蒸汽遇到温度急剧下降的地方时,结晶的硅酸盐便会出现。
在同一地点同时存在这两种相态意味着凝结正发生,而不是发生在不久之前或遥远的另一部分圆盘中。
“这一过程在原行星盘中或在太阳系之外的任何地方都未曾被观察到,” 密歇根大学的共同作者爱德温·伯金这样表示。
他补充道,这些矿物与锁定在地球4.5亿年陨石中的矿物是相同的。
“我们真的在这个外星系的同一位置看到了这些矿物,就如同在太阳系的小行星中看到它们一样,”来自美国先进功能纤维组织(AFFOA)的共同作者洛根·弗朗西斯说道。
他指出,凝结区几乎位于与我们小行星带相同的轨道半径处。
这些矿物颗粒的直径小于一微米,但它们标志着向千米规模的行星构成物的第一步。
电静力将使它们在数千年内聚集在一起,直到重力占主导地位。
HOPS-315镜像地球的起源
实验室研究表明,富含硅和氧的矿物首先凝结,其次是铁镍合金,然后是更多的挥发性化合物。
看到HOPS-315周围的热SiO蒸汽暗示着类似的化学序列正在进行。
通过估计恒星的光度和圆盘的温度梯度,麦克卢尔的团队得出结论,结晶硅酸盐的质量可能约为一个月球的十分之一。
这足以为多个岩质行星播下种子,若后续生长高效,如模型所示。
对圆 chondrules 的同位素研究表明,我们自身太阳系中的最早建构块在第一百万年内形成,这一时间尺度现在在HOPS-315中可以实时测试。
匹配天文数据与同位素计时工具,旨在比单靠陨石研究提供更清晰的行星形成图景。
这一发现或许也揭示了为何地球的碳含量低于星云模型的预期。
如果早期矿物及时捕获氧和硅,碳可能会更长时间保持气态,并在其能加入新生世界之前被推向外部。
未来观测行星形成的计划
在接下来的一年中,ALMA将返回HOPS-315,寻找圆盘中更远处的水冰。
如果水位于硅酸盐环以外,天文学家可以测试岩质种子是否在获得冰外壳之前向内迁移,这一步可能解释为何地球最终拥有海洋。
JWST将跟踪SiO特征的演变。
稳定下降将显示蒸汽的冷冻,而涌现则可能提示磁暴或螺旋冲击所引发的加热波动。
除了HOPS-315的具体观察结果外,这一发现增强了我们对岩质行星普遍存在的信心。
如果凝结如此早开始,许多恒星可能在其气体圆盘消散之前也会启动行星形成,为世界的迁移、碰撞和稳定轨道的形成留下足够的时间。
未参与本研究的欧洲南方天文台天文学家伊丽莎白·汉弗里斯表示,她对团队能够精确定位第一固体感到“非常震惊”。
她认为,韦伯与ALMA的协同作用正在揭示一个宇宙,“在这里,朝向适宜生命的行星的步骤开始得比我们曾经希望的更早。”
该研究已刊登于《自然》期刊。
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