巨型行星和彗星在HD 163296周圍的星際盤中作戰(zhàn)

在今天出現(xiàn)在天體物理學(xué)雜志上的一項研究中，INAF領(lǐng)導(dǎo)的研究小組探討了ALMA觀測所揭示的HD 163296磁盤的塵埃和氣體分布的異常特征是否可能來自巨行星與星子的相互作用，這是一個組成部分。先前下落不明的磁盤。

由形成恒星的恒星周圍的氣體和塵埃組成的星際盤是行星誕生的環(huán)境。它們的塵埃提供了行星開始生長的建筑材料，并且由于其被納入行星體，其豐度預(yù)計會隨著時間的推移而下降。自從它首次出現(xiàn)在HL Tau周圍的恒星盤的明亮同心環(huán)的圖像以來，ALMA通過揭示其氣體中廣泛存在的大量小型結(jié)構(gòu)(間隙，環(huán)和螺旋臂)，徹底改變了我們對星周盤的看法。它們中的大多數(shù)被認為與年輕行星的存在有關(guān)，并且由于它們的引力與周圍環(huán)境的相互作用而產(chǎn)生。

在ALMA觀察到的最好研究的圓盤中，圍繞著HD 163296，一顆5 Myr的恒星，大約是太陽質(zhì)量的兩倍。HD 163296的磁盤既龐大(略小于太陽質(zhì)量的十分之一)又寬(大約500 AU，是太陽系中柯伊伯帶的外邊界的兩倍)，并且已被提議至少有三個行星的質(zhì)量是天王星和木星的兩倍。ALMA的最新觀察結(jié)果允許HD 163296磁盤的結(jié)構(gòu)在空間上和成分上表征到之前無法想象的水平，并顯示該磁盤中的灰塵仍然非常豐富(超過地球質(zhì)量的300倍)，盡管它已經(jīng)老化并且已經(jīng)生產(chǎn)出來了至少有三個巨行星。同樣的觀察也揭示了一些奇怪的塵埃行為'

由于其與氣體的耦合和摩擦，預(yù)計灰塵將從盤的外部區(qū)域向內(nèi)遷移，但是預(yù)計它也會在大規(guī)模行星的遷移中停止。由于這種向內(nèi)流動，灰塵應(yīng)該從HD 163296最內(nèi)層行星內(nèi)部的區(qū)域隨時間消失。同時，來自盤外部區(qū)域的灰塵應(yīng)該堆積在第二和第三行星的軌道之外。ALMA的觀察顯示，第一顆行星內(nèi)部以及第一顆行星和第二顆行星之間的區(qū)域具有整個磁盤中最高濃度的灰塵。在今天出現(xiàn)在天體物理學(xué)雜志上的一項研究中一組研究人員探討了這些異常特征是否可能是由于巨行星與以前未計算的磁盤成分之間的相互作用而產(chǎn)生的：星子。

“從對太陽系的研究中我們知道，像HD 163296這樣的成熟星際盤不僅僅由氣體和塵埃組成，而且還包含一小部分與我們的小行星和彗星類似的小行星物體”，Diego Turrini解釋說。意大利國家天體物理研究所(INAF)空間天體物理學(xué)和行星科學(xué)研究所(IAPS)的研究和研究員。“我們也知道巨行星的出現(xiàn)會影響這些行星，因為它們在軌道演化過程中會產(chǎn)生短暫但強烈的動力激發(fā)峰值，雖然從行星系統(tǒng)的長壽命角度來看很短，但可以具有可比的持續(xù)時間。對于星際盤的生命，“特里尼說。

從上方和側(cè)面看到的隱藏在HD 163296的星際盤中的冰柱星盤。這些年輕的巨行星迅速創(chuàng)造出大量的外星人，作為其他身體的高速射彈。圖片來源：D。Turrini(INAF-IAPS)

該團隊想知道HD 163296的年輕巨行星與無形的星子之間的這些相互作用是否會產(chǎn)生觀測到的塵埃分布異常。他們所進行的模擬表明，在三顆巨行星的生長過程中，周圍的星子群體中越來越大的部分被注入非常偏心且非常傾斜的軌道上，類似于太陽系中的彗星。“這種動態(tài)激發(fā)的主要結(jié)果是在星子之間發(fā)生了更高的暴力碰撞率，”帕多瓦大學(xué)教授，該研究的共同作者Francesco Marzari解釋道。

當他們通過碰撞模型分析動力學(xué)模擬的結(jié)果時，研究小組發(fā)現(xiàn)，在巨行星接近他們的最終質(zhì)量之前，星子之間的碰撞仍然相當平緩，但隨后它們在暴力中迅速增長百倍，并開始研磨星子。“這些劇烈碰撞補充了盤中的塵埃，”Marzari說道。“然而，這個過程產(chǎn)生的新塵埃與原始塵埃的軌道分布不同，主要集中在兩個地方：第一個巨人內(nèi)的軌道區(qū)域行星和第一個和第二個巨行星之間的環(huán)。“ ALMA的觀察結(jié)果顯示與理論預(yù)期的差異最大的兩個地區(qū)。

該小組發(fā)現(xiàn)，由三個巨行星的出現(xiàn)引起的動態(tài)激勵應(yīng)該仍然在HD 163296磁盤中嵌入的星子上發(fā)揮作用。作者還發(fā)現(xiàn)，由此產(chǎn)生的持續(xù)碰撞產(chǎn)生的塵埃能夠在這兩個軌道區(qū)域內(nèi)注入數(shù)十個大量的塵埃，這也從定量的角度解釋了ALMA的觀測結(jié)果。“到目前為止，只有通過模擬才能在星際盤中研究這種過程，”Turrini說。“感謝ALMA，我們現(xiàn)在可以研究它，并在行星形成和周圍環(huán)境之間的相互作用中學(xué)到很多東西。”

“ALMA提供有關(guān)HD 163296的新數(shù)據(jù)和更詳細數(shù)據(jù)的快速率使我們能夠?qū)⑽覀兊难芯繑U展到其原始范圍之外，”Danai Polychroni解釋說，該研究的合著者，當時的阿塔卡馬大學(xué)教授和INAF-IAPS的兼職研究員。“我們注意到許多星子對于盤狀周圍氣體的超音速速度感到興奮，并且可以產(chǎn)生可以加熱微星和氣體的沖擊波。雖然我們還不能詳細地對這個過程進行建模，但是最近的觀察結(jié)果顯示出了意想不到的存在。 CO氣體的區(qū)域特征是溫度應(yīng)該是冷凍固體和盤的熱結(jié)構(gòu)可能的異常。原則上，這兩個發(fā)現(xiàn)都可以

“這項研究是作為一個探路者項目開始的，旨在探索由新形成的巨行星引起的動力激發(fā)是否能夠產(chǎn)生可觀察到的影響。因此，我們只是觸及了這一過程的表面及其影響，”萊昂納多·特斯蒂說道，該研究的作者和歐洲南方天文臺ALMA支持中心負責(zé)人和INAF休假研究員。“盡管如此，其物理食譜很簡單：巨大的行星在形成盤，星子鑒于可能年輕的普遍特征巨行星我們正在與ALMA并造成其外觀的動態(tài)效果的延長時間發(fā)現(xiàn)，我們可能會尋找對于星際盤中非常常見的過程。“

“由Diego Turrini領(lǐng)導(dǎo)的工作背景是GENESIS協(xié)同作用的支柱之一，”由INAF資助的GENESIS-SKA項目的首席研究員Claudio Codella(INA??F-Osservatorio Astrofisico di Arcetri)解釋道。“GENESIS-SKA(www.genesis.inaf.it)是一個國家項目，8個INAF研究所的60多名研究人員與總體目標密切合作，研究有利于類似于我們太陽系的行星系統(tǒng)興起的條件。 “。

“這個項目的結(jié)果，”Codella補充道，“對于研究位于行星將形成的區(qū)域以及可能的大氣中的氣體的化學(xué)成分也將具有極其重要的意義。”