类木行星的形成时间比我们想象的要早得多

对现有数据的新分析表明，质量与木星相当的系外行星的形成时间可能比之前认为的要早得多。这项研究由俄亥俄州立大学的研究人员开展，为吸积时间提供了新的见解。吸积是形成中的行星聚集大量气体和固体颗粒（特别是富含碳和氧的颗粒）的过程，从而成长为像木星这样的气态巨行星。

行星起源于原行星盘，即围绕年轻恒星旋转的尘埃和气体云。研究表明，吸积可能发生在行星盘演化的最早阶段，此时这些行星盘仍然很年轻，含有丰富的物质，这挑战了之前关于行星形成时间的假设。

虽然新确认的系外行星数量不断增加，但这些行星的起源以及影响其形成的因素仍然是科学家们试图解决的难题。例如，类似木星的系外行星最初被认为需要近 300 万至 500 万年才能完全形成；最近的观察表明，对于像木星这样的气态巨行星来说，这个过程可能更接近 100 万至 200 万年。

这项研究的作者、俄亥俄州立大学天文学助理教授王吉表示，这一发现挑战了研究人员关于这些行星在原行星盘的“年龄”形成的现有理论。这一结果可能会让科学家重新评估和修改他们关于太阳系和其他行星形成的理论。

“我们对系外行星的了解都可以放在太阳系的背景下，反之亦然，”王说。“通常行星的形成是一个自下而上的过程，这意味着它从小物体开始，逐渐形成更大的行星，但这种方式需要时间。”

虽然系外行星指的是运行轨道远远超出我们太阳系范围的行星物体，但更多地了解它们的形成方式可以帮助研究人员更深入地了解太阳系和早期地球的演化，早期地球的形成时间比木星晚得多，但仍然受到了木星的巨大影响。

这种“自下而上”的行星形成解释被称为“核心吸积理论”，但另一种可能的形成机制是行星通过引力不稳定性形成——当恒星周围盘中的团块质量过大而无法支撑自身并坍缩形成行星时。王说，由于行星的吸积历史可能与这两种引人注目但又相互补充的演化形成机制密切相关，因此确定哪种过程更常见非常重要。

该项研究最近发表在《天体物理学杂志》上。

该研究分析了七颗气态巨行星的样本，这些行星的恒星和行星化学特性已在之前的研究中进行直接测量，并将它们与我们太阳系中的气态巨行星木星和土星的数据进行了比较。

王表示，这些系外行星的早期形成与最近的证据表明木星的形成时间比之前认为的要早得多相符。这一发现是基于这些系外行星吸积的固体数量惊人。

行星形成初期吸积的所有物质都会增加其大气的金属丰度，通过观察它们留下的痕迹，研究人员能够测量行星曾经聚集的固体量。金属丰度越高，科学家就可以假设在形成过程中吸积的固体和金属就越多——元素周期表中任何比氢和氦更重的东西。

“我们可以推断，平均而言，所采样的五颗行星中的每一颗都吸积了相当于 50 个地球质量的固体，”他说。“只有在 200 万年以内的系统中才能发现如此大量的固体，但在我们的太阳系中，可用的固体总量仅为 30 到 50 个地球质量。”

这些新数据意味着，用于形成系外行星的构造块在原行星盘演化的早期阶段就已经存在，比预期的要早，而且这些构造块的可用性在数百万年的时间里大大降低。王说，由于科学家通常不指望找到行星形成如此早的证据，因此这一发现很可能难以用目前的理论来解释。

“这些系外行星形成的时间非常早，因此仍然有大量的金属资源，”王说。“这是科学界尚未做好充分准备的事情，所以现在他们必须努力提出新的理论来解释它。”

由于气态巨行星在吸积过程中会吸入大量物质，它们的形成和在太空中的迁移也会影响原行星盘其他地方岩石行星的发展。在太阳系中，这种现象被认为导致木星和土星将水星推离其原始轨道，并导致火星变得比地球或金星小得多。

尽管如此，为了帮助天文学家在未来进行类似的行星形成分析，这项工作还提供了一个统计框架，用于推断任何其他系外行星的固体吸积总质量，研究指出，这也可以成为研究其他类型复杂元素数据的理想工具。

虽然这项研究纯粹依赖于档案数据，但王希望他的工作能够通过更好的仪器收集的新高分辨率数据得到进一步补充，例如更强大的地面天文观测站或詹姆斯韦伯太空望远镜等下一代技术。

王说：“通过扩大这项研究的范围，研究更多的系外行星，我们希望看到本文发现的证据趋势能够继续保持。”

编译自/ScitechDaily