天文学家发现气态巨行星形成的时间比之前认为的要早

俄亥俄州立大学的研究结果提供了关于吸积时间的新信息——即积累大量气体以及富含碳和氧的固体颗粒以形成像木星这样的大行星的过程。

行星是由原行星盘形成的，原行星盘是旋转的尘埃和气体云，是行星形成的完美原料。这项新研究表明，吸积发生得比较早，当时盘体是巨大的，比研究人员之前认为的要年轻得多。

虽然新确认的系外行星数量持续增长，但这些世界的起源以及影响它们形成的因素仍然是科学家们努力解开的难题。例如，最初认为类似木星的系外行星形成需要近300万到500万年；最近的观察现在表明，对于像木星这样的气体巨星，这一过程可能更接近100万到200万年。

这项发现挑战了研究人员关于这些行星在原行星盘的“年龄”下形成的现有理论，研究的作者、俄亥俄州立大学的天文学助理教授王继表示。这些结果可能导致科学家重新评估和改进他们对太阳系及其他地方的行星形成理论。

“我们对系外行星的了解可以置于太阳系的背景下，反之亦然。”王说。“通常行星形成是一种自下而上的方案，这意味着它始于小物体，再逐步积累形成更大的行星，但这种方式需要时间。”

虽然系外行星指的是环绕我们太阳系外部的行星物体，但对于它们的形成了解得越多，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，后者的形成远远晚于木星，但仍受到其影响。

行星形成的“自下而上”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过于庞大而无法自我维持并坍塌形成行星。王表示，由于行星的吸积历史可能与这两种引人注目的互补形成机制的演变密切相关，因此确定哪种过程更常见非常重要。

这项研究最近发表在《天体物理学杂志》上。

该研究分析了一组七个气体巨型系外行星的样本，这些行星的恒星和行星化学特性已经被之前的研究直接测量，并与我们太阳系中的气体巨星木星和土星的数据进行了比较。

王展示了这些系外行星的早期形成与最近证据的一致性，即木星的形成早于之前的想法。这一发现基于这些系外行星所吸积的出乎意料的高固体量。

在行星形成初期吸积的所有材料增加了其大气的金属丰度，通过观察它们留下的痕迹，研究人员能够测量出行星曾经聚集的固体量。

金属丰度越高，科学家们可以假设在形成过程中吸积的固体和金属——周期表中比氢和氦更重的任何东西——越多，王说。

他说：“我们可以推断，在平均情况下，所采样的五个行星每一个吸积了相当于50个地球质量的固体。” “如此大量的固体只能在一个年轻于200万年的系统中找到，但在我们的太阳系中，现有的固体总量仅在30到50个地球质量的量级。”

这些新数据暗示，用于形成系外行星的构件在原行星盘演变的早期阶段就已经可用，而这些构件在数百万年的时间跨度中可用性大大降低。因为科学家通常不指望找到行星如此早形成的证据，这一发现可能会让现有理论难以和解，王说。

王说：“这些系外行星形成得如此早，当时仍有大量金属储备。” “这是科学界尚未完全准备好的事情，因此现在他们必须迅速制定出新的理论来解释。”

由于气体巨星在吸积过程中吸引大量物质，它们的形成和在空间中的迁移也影响着其他地方的岩石行星在原行星盘中的发展。在太阳系中，这一现象被认为导致了木星和土星将水星推出其原轨道，并使得火星比地球或金星小得多。

也就是说，为了帮助天文学家在未来进行类似的行星形成分析，该研究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，这可以成为调查其他复杂元素数据的理想工具。

而这项研究纯然依赖于档案数据，王预计他的工作将随着新高分辨率数据的收集而得到进一步补充，例如更强大的地面天文观测站或下一代技术，如詹姆斯·韦布太空望远镜。

王表示：“通过扩展这一工作，增加更多的系外行星样本，我们希望看到在该论文中发现的证据趋势持续。”

这项工作得到了国家科学基金会的支持。