行星摇篮里堆积的灰烬——天空“降尘”现象的发现

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　　主译：余路汉

　　校对：酥油饼 朱宸宇

　　美编：张一帆

　　后台：库特莉亚芙卡 李子琦

　　鹿儿岛大学的塚本裕介助教的研究小组，通过日本国立天文台天文学专用的超级计算机“ATERUI II”进行模拟，发现了形成行星种子的固体微颗粒物“尘”（长到厘米大小的尘埃）在被称为行星摇篮的“原行星盘”上沉积。因为此现象与火山喷发时降落火山灰十分相似，所以研究小组将其命名为“天空的降尘现象”。地球上的火山喷发时产生的火山灰会对人们的生活造成较大的影响，但此次发现天空的“降尘”可能会是原行星盘外侧领域行星种子形成的机制。

　　而且，此次的发现是人们首次使用超级计算机进行三维模拟，阐明了形成期时原行星周围“尘”的形成和活动，这对恒星和行星形成的研究做出了不可忽视的贡献，也开辟了其形成理论的新道路。

　　图1:此次发现的“天空的降尘现象”想象图。被原行星盘中心吹出的上旋气体流卷起的微尘颗粒在圆盘边缘沉积下来的样子。（来源：鹿儿岛大学）

　　行星诞生于原行星盘（在新生恒星周围形成的气体和灰尘的星盘）。这种灰尘是非常小的固体颗粒，大小约为0.1微米，就像香烟烟雾中的颗粒一样，被称为 “尘”。在对于行星形成过程的研究之中，科学家尝试通过观察并结合现有的理论基础，来了解这种微小尘埃的成长变化和其运动方式。

　　距今为止的天文观测发现了原行星盘中有尘埃增长的迹象，这些原行星盘非常年轻，还不到一百万岁。并且，从距离中心原恒星数十个天文单位距离的星盘上，观测到了间隙构造，科学家认为行星的存在是产生间隙构造的主要原因之一。这些观测结果表明，在年轻的原行星盘中，有可能发生尘埃增长和行星形成的现象。

　　构成原行星盘的气体和尘埃，都围绕着原恒星做公转。但是，理论上认为随着尘埃在星盘中成长，星盘内的气体像逆风一样运动着，妨碍了尘埃的公转运动，导致尘埃向着中心的原恒星迅速坠落，这个现象被称作“尘埃的中央星落下”。这表明，在距离中央星数十个天文单位的星盘边缘部，尘埃的成长和行星的形成都是非常困难的。因此，能够说明如观测结果所示的关于星盘边缘部行星的形成的理论机制还尚不明确。

　　就此，鹿儿岛大学的塚本裕介助教的研究小组使用日本国立天文台天文学专用的超级计算机“ATERUI II”进行了世界首次同时考虑到气体与成长尘埃的三维磁流体力学模拟。根据此次的模拟，研究小组发现了一种新的机制，以避免尘埃坠落问题。而且根据模拟结果，原行星盘内侧中长大的尘埃被星盘中的偶极外向流（气体喷出现象）给卷了起来。接着又由于离心力的作用，与偶极外向流分离开来，最终沉积于星盘的边缘部。

　　图2：气体（左图）和尘埃云（右图）流动的样子，橙黄线和红线分别是气体和尘埃的通道（流线），白色箭头表示流动方向。黄色区域表示在模拟中形成的原行星盘。（来源：塚本裕介）

　　图3：原恒星周围的构造和此次发现的“天空降尘现象”的概念图。（1）星盘内的尘埃一边成长，一边向中心的原恒星靠近。（2）到达近原恒星点后，气体的偶极外向流引起的垂直龙卷。（3）在离心力影响下尘埃与偶极外向流的分离。（4）从偶极外向流中分离出来的尘埃沉积在星盘边缘部。（来源：鹿儿岛大学）

　　这个机制类似于火山爆发时喷发出的气体与火山灰的混合物在大气中分离后，只有火山灰于地表沉积。所以，研究小组把这个现象称之为“天空的降尘现象”。

　　研究人员发现，这一现象使成长后的尘埃回落到星盘的外缘，那里的密度较小，减小了气体的空气阻力，使其更难落在中心原恒星上。也就是说，尘埃并未落到中央星上，在外缘部就可以长大，这可能会导致行星形成。本次的研究模拟为尘埃坠落问题的理论上的困难提供了一个自然的解决方案，并为解释星盘外缘的行星形成和星盘间隙的形成提供了一个理论突破口。

　　进行了模拟实验的塚本助教说到：“在这样的天空降尘现象中，1年里大概有地球十分之一质量的尘埃降落下来。这些堆积在星盘上的尘埃，也许会变成像地球一样的行星，也可能成为构筑我们的生命元素。”

　　本次的研究首次阐明了在原恒星形成阶段其周围尘埃的成长和运动，表明尘埃在原行星盘边缘部成长的可能性。今后，要通过进一步的模拟研究来阐明尘埃的运动和尺寸分布的详细内容，明确其观测特征，通过使用ALAM望远镜观测来验证这个降尘模型。另外，研究小组认为，通过阐明星盘边缘行星种子和行星本身的形成过程，将行星形成和恒星形成的理论相结合，将构筑一个全新的理论。

　　责任编辑：王雨阳

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　　在金牛座的原行星盘HH-30（图源:NASA，公有领域图片）