宇宙中为何出现“流浪”的神秘天体？天文学家最新找到答案

来源：中国新闻网

中新网北京2月27日电 (记者 孙自法 郑莹莹)在天文学界，有一类2000年才被首次探测到、近5年内观测样本陡增的神秘天体——流浪行星质量天体(Planetary Mass objects, PMOs)，其究竟是如何形成的问题备受关注。

中国科学院上海天文台邓洪平研究员领导的国际合作科研团队，最新研究发现形成流浪行星质量天体的全新机制，他们认为，质量介于恒星与行星之间的流浪行星质量天体，既非传统恒星形成过程的产物，也非被驱逐的巨行星，而是通过年轻恒星的星周盘发生潮汐相互作用直接形成。

这项对于理解星团对行星形成的影响、探索恒星形成和行星形成的边界有重要意义的天文学研究，由中国科学院上海天文台联合香港大学和美国加州大学圣克鲁兹分校、瑞士苏黎世大学等中外研究机构的合作伙伴共同完成，相关成果论文北京时间2月27日凌晨在国际学术期刊《科学进展》(Science Advances)发表。

现有两种理论无法释疑

邓洪平研究员介绍说，流浪行星质量天体的质量通常低于氘燃烧极限(约13倍木星质量)，接近巨行星，却不被任何恒星所束缚，美国詹姆斯·韦布空间望远镜(JWST)已观测证实该神秘天体广泛存在于年轻星团中。

詹姆斯·韦布空间望远镜对猎户座星云中“四合星”星团附近区域的近红外波段成像。(图片来源：NASA,ESA,CSA/M.McCaughrean,S.Pearson)

过去20多年，天文学家们认为流浪行星质量天体可能是分子云坍缩形成的极低质量恒星，或是从母恒星系统中被抛射出来的巨行星。然而，这两种理论均无法解释流浪行星质量天体的丰度之多、多体系统(如双星或三星)之繁，以及其与恒星运动特征之间的一致性。例如，猎户座大星云中的“四合星”(Trapezium)星团内，流浪行星质量天体的数量远超传统恒星质量函数的预测，且约9%的流浪行星质量天体以多体系统形式存在，这与极低质量恒星系统的特性截然不同。

另一方面，很多流浪行星质量天体周围存在延展的气体盘，半径可达100倍日地距离(天文单位，AU)。这预示着流浪行星质量天体与恒星同时形成于星云气体耗散之前，且未曾被恒星束缚，否则流浪行星质量天体气体盘的大小将被恒星引力严重限制，因此，流浪行星质量天体也不是被主星抛射出来的巨行星。

星周盘相遇“潮汐桥”

邓洪平指出，流浪行星质量天体难以被现有的恒星或行星形成理论解释，促使研究团队提出早期星周盘相互作用形成流浪行星质量天体的全新理论。他们通过高精度流体动力学模拟发现，当两颗年轻恒星的星周盘以特定角度和速度近距离相遇时，潮汐力会拉伸并形成细长的“潮汐桥”。这些桥状结构在引力作用下进一步收缩为致密的线状分子云，最终断裂并坍缩成独立的流浪行星质量天体。

实验模拟显示，这一过程在密集星团(如“四合星”星团)中的产生效率极高。当星周盘以每秒2—3公里的速度、300—400天文单位的距离擦肩而过时，“潮汐桥”的线密度超过稳定性的临界值，可同时产生多个流浪行星质量天体，甚至形成紧密的双星或三星系统。

相遇星周盘之间形成“潮汐桥”并坍缩形成流浪行星质量天体双星的三维流体力学模拟示例。中国科学院上海天文台 供图

在致密的“四合星”星团中，恒星相遇频繁，且恒星速度弥散恰好在每秒2—3公里之间，因此形成流浪行星质量天体的“摇篮”，孕育了目前观测到的最大流浪行星质量天体群。而在恒星运动速度弥散很小的IC348星团中流浪行星质量天体很稀有。此外，这些形成的流浪行星质量天体周围还保留了延展的气体盘，也与观测结果高度吻合，进一步验证本次研究提出的星周盘发生潮汐相互作用直接形成流浪行星质量天体理论的可靠性。

可能代表一类全新天体

研究团队认为，本次研究提出形成流浪行星质量天体的全新机制，不仅能解释流浪行星质量天体的丰度和性质，还暗示它们可能代表了一类全新的天体，从而为理解宇宙中流浪行星的形成机制提供了新的思路。

相遇星周盘拉扯出成对流浪行星的三维模拟(Credit：邓洪平)。中国科学院上海天文台 供图

“流浪行星质量天体或许构成了宇宙中既非恒星、也非行星的一类天体，将帮助我们理解恒星形成和行星形成的边界。”邓洪平说。

目前，流浪行星质量天体的观测样本正在迅速增长。研究团队透露，中国科学院上海天文台领导的系外地球巡天计划能通过微引力透镜法高效地搜寻流浪行星，针对不同星团中流浪行星质量天体发生率和性质的研究，将进一步揭示他们发现的全新机制在宇宙中的普适性。(完)