传统信念认为，行星大气层中的气体成分应该与形成它的物质盘中的气体一致。然而，研究人员首次将仍在形成中的行星大气中的气体与其母盘中的气体进行了比较。研究结果显示，该行星的碳含量意外地低于周围的盘。
正如一些孩子类似于他们的父母，许多科学家相信，正在发展的行星应该反映创造它们的气体和尘埃盘。
在西北大学的天体物理学家的领导下，这项开创性研究发现，正在发展的系外行星的气体成分不一定反映其周围母盘的气体成分。他们的研究揭示了行星大气与盘相比较时气体成分的显著差异。
这一意外发现增强了对当前行星形成模型的简单性的怀疑。
该研究定于周三（12月18日）在《天体物理学期刊快报》上发表。这是科学家首次同时研究系外行星及其母盘和主星的数据。
“对于研究观测天体物理的科学家来说，普遍接受的行星形成观点似乎过于简单，”西北大学的徐致群（Chih-Chun “Dino” Hsu）表示，他是该研究的领头人。“传统上认为，行星大气中碳和氧的比例应该与其母盘中的比例一致，前提是行星从盘中积累材料。然而与此相反，我们发现该行星的碳和氧比例显著低于其盘。这证实了我们对行星形成既定观点过于简化的怀疑。”
徐致群是天体物理学跨学科探索与研究中心（CIERA）的博士后研究员，并在西北大学威恩伯格文理学院的助理教授王杰森（Jason Wang）指导下工作，王教授也是CIERA的成员。
寻找可见的形成材料
每颗行星都是由母盘形成的，母盘是围绕新星旋转的气体和尘埃盘。在数百万年中，引力将气体和尘埃压缩成团块，演变成行星。直到最近，直接追踪行星的形成是不可能的，因为大多数可观测的系外行星已经过于成熟，其母盘不再存在。
然而，PDS 70是一个例外，围绕着两个年轻的气态巨行星PDS 70b和PDS 70c形成母盘，这些行星与木星相似。它们位于距地球约3.66亿光年的半人马座，年龄不超过500万年。
“这个系统使我们能够观察这两个正在形成的行星及其形成所需的材料，”王杰森解释道。“早期的研究侧重于气体盘的成分，但我们首次能够分析正在形成的行星本身的组成，并与盘中的材料进行比较。”
分析行星特征
为了收集存在的材料数据，徐致群、王杰森及其团队评估了PDS 70b发出的光。这种光，或光谱，像指纹一样，揭示了物体的组成、运动、温度等方面的详细信息。每个分子或元素生成其独特的光谱，允许研究人员识别特定的物质。
在先前的研究中，王杰森开发了创新的光子技术，帮助天文学家捕捉靠近更亮星星的微弱天体的光谱。团队应用这一技术，专注于年轻行星系统的微妙特征。
“这些工具使我们能够捕捉到在亮天体旁边微弱天体的高度详细的光谱，”王杰森指出。“挑战在于将微弱行星的光与更亮的星星隔离，以分析其大气。”
通过光谱，研究人员获得了PDS 70b中的一氧化碳和水的含量信息。根据这些细节，他们推导出了行星大气中的碳氧比，并与盘中先前记录的测量进行比较。
“最初，我们预计行星中的碳氧比与盘中的相似，”徐致群表示。“然而，我们发现，行星中碳的含量相对于氧来说，明显低于盘中。这令人惊讶，并表明我们广为接受的行星形成观念过于简化。”
固体材料可能解释差异
为了解释这一差异，徐致群和王杰森提出了两种可能的情况。一种可能是行星形成在它的盘富含碳之前。另一种解释可能是，行星主要通过吸收大量的固体材料（除了气体）而成长。尽管光谱只表明气体，但一些碳和氧可能最初是从冰和尘埃中被捕获的固体材料中获得的。
“如果行星主要吸收了冰和尘埃，那么这些材料在贡献给行星之前可能已经蒸发，”王杰森建议。“这意味着我们不应仅仅比较气体；固体成分可能在碳氧比中起着重要作用。”
在这项研究中，团队仅专注于PDS 70b。他们的下一步是研究PDS 70系统中另一个行星的光谱。
“通过一起分析这两个行星，我们可以更全面地了解系统的形成历史，”徐致群表示。“然而，这只是一个系统。为了提高我们对行星形成的理解，我们需要识别更多类似的系统。”
这项研究标题为“PDS 70b显示恒星般的碳氧比”，获得了Heising-Simons基金会、Simons基金会和国家科学基金会的资助。
