天文学家使用“小飓风”对行星进行称重和定年

大地歌女妥

剑桥大学和高级研究所的研究人员开发了一种技术，该技术利用阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列 (ALMA) 对这些“飓风”的观测，对年轻行星的质量和年龄设置了一些限制星系统。
年轻恒星周围薄饼状的气体、尘埃和冰云——被称为原行星盘——是行星形成过程开始的地方。通过称为核心吸积的过程，重力导致圆盘中的粒子相互粘附，最终形成更大的固体，如小行星或行星。随着年轻行星的形成，它们开始在原行星盘上刻出缝隙，就像黑胶唱片上的凹槽一样。
即使是一颗相对较小的行星——根据最近的一些计算，只有木星质量的十分之一——也可能会产生这样的间隙。由于这些“超级海王星”行星绕恒星运行的距离大于冥王星绕太阳运行的距离，因此无法使用传统的系外行星探测方法。



除了凹槽之外，ALMA 的观测还显示了原行星盘中的其他不同结构，例如香蕉形或花生形的弧形和团块。人们曾认为，至少其中一些结构也是由行星驱动的。
剑桥应用数学和理论物理系以及新泽西州普林斯顿高级研究所的主要作者 Roman Rafikov 教授说：“一定是有什么东西导致了这些结构的形成。” “产生这些结构的可能机制之一——当然也是最有趣的机制——是我们看到的弧形和团块状的尘埃粒子集中在流体涡流的中心：基本上很少的飓风可以由特定的不稳定性引发行星在原行星盘上刻出的缝隙边缘。”
如果在原行星盘中观察到涡旋，Rafikov 与他的博士生 Nicolas Cimerman 合作，利用这种解释开发了一种方法来限制行星的质量或年龄。他们的结果已被接受在皇家天文学会月刊的两篇独立论文中发表。
“通过直接成像来研究远离恒星的较小行星是极其困难的：这就像试图在灯塔前发现萤火虫一样，”拉菲科夫说。“我们需要其他不同的方法来了解这些行星。”
为了开发他们的方法，这两位研究人员首先从理论上计算了行星在圆盘中产生涡流所需的时间长度。然后，他们使用这些计算来限制带有涡流的圆盘中行星的属性，基本上为行星的质量或年龄设定了下限。他们称这些技术为行星的“涡旋称重”和“涡旋测年”。
当一颗成长中的行星变得足够大时，它开始将物质从圆盘中推开，从而在圆盘中形成明显的缝隙。发生这种情况时，间隙外侧的材料变得比间隙内侧的材料更致密。随着差距变深，密度差异变大，可能会引发不稳定。这种不稳定性会扰动圆盘并最终产生涡流。
“随着时间的推移，多个漩涡可以合并在一起，演变成一个大结构，看起来就像我们在 ALMA 中观察到的弧线，”Cimerman 说。由于漩涡的形成需要时间，研究人员表示他们的方法就像一个时钟，可以帮助确定行星的质量和年龄。
拉菲科夫说：“更大质量的行星由于其更强的引力，会在它们发展的早期产生涡流，因此我们可以利用涡流对行星的质量施加一些限制，即使我们不能直接看到行星。”
使用光谱、光度和运动等各种数据点，天文学家可以确定恒星的大致年龄。有了这些信息，剑桥大学的研究人员计算出了自原行星盘形成并能够产生 ALMA 可以看到的涡流以来绕恒星运行的行星的最低质量。这帮助他们在不直接观察行星的情况下对行星的质量设定了下限。
通过将这种技术应用于几个已知的具有突出弧形的原行星盘，暗示漩涡，研究人员发现，产生这些漩涡的假定行星的质量必须至少有几十个地球质量，在超海王星范围内。
“在我的日常工作中，我经常关注执行模拟的技术方面，”Cimerman 说。“当事情走到一起时令人兴奋，我们可以利用我们的理论发现来了解真实系统。”
“我们的限制可以与其他方法提供的限制相结合，以提高我们对这些系统中行星特征和行星形成途径的理解，”拉菲科夫说。“通过研究其他恒星系统中的行星形成，我们可能会更多地了解我们自己的太阳系是如何进化的。”
这项研究得到了科学技术设施委员会 (STFC) 的部分支持，该委员会是英国研究与创新 (UKRI) 的一部分。