出生环境太混乱,联星系统中的行星如何逃过压碎命运成形?

在只有一颗恒星的系统中,原行星盘中物质粒子以低速运动,因此碰撞时很容易黏在一起、从而生长成行星。但在由两颗或更多颗恒星主宰的系统中,多恒星引力带来的搅伴效应会导致粒子以更高速度相互碰撞,因此按理说难以相黏。那么,某些已在联星系统中观察到的行星是如何在这种暴力环境下增长茁壮的呢?

来自英国剑桥大学与德国马克斯普朗克地外物理研究所的科学家们,开发了迄今为止最贴近现实的双星系统行星形成模型。

距离太阳系最近的恒星系统“南门二”就是联星系统代表之一,该系统是由一对互绕的恒星半人马座α星A、半人马座α星B加上比邻星所组成的三合星系统,天文学家已经在半人马座α星B旁发现一颗质量相当于地球的行星“半人马座αBb”。

又或者史上第一个被确认处于联星系统中的系外行星克卜勒16b(Kepler-16b),如果这颗星球上有生物,他们将看见天空中有2颗太阳,研究人员也因此昵称这颗行星为电影《星球大战》中的虚拟行星塔图因。

根据理论,新生恒星周围有一个由氢、氦、冰和尘埃等微小颗粒组成的原行星盘,在吸积过程中尘埃颗粒不断碰撞相黏变得越来越大,如果中途停止,这颗天体可能成为类地行星;如果继续增长,则它自身引力将足以从圆盘中捕获大量气体,最后形成像木星这样的气态巨行星。

然而这是属于单颗恒星的行星系统形成模型。对联星系统来说,其行星系统形成更加复杂,原行星盘内的物质粒子以更高速度相互碰撞,天文学家相当好奇行星如何在这种混乱不堪的环境下出生,一些天文学家甚至认为,这些行星应该原本是漂浮在星际空间中的流浪者,路过才被联星系统的引力吸入定居。

研究人员于是进行了一系列模拟尝试解开这个谜团。马克斯普朗克地外物理研究所Kedron Silsbee博士表示,原行星盘虽然会通过气体阻力直接影响微行星,但圆盘本身的引力也会改变微行星动力学,模型表明,如果微行星大小至少达10公里,且原行星盘本身接近圆形、没有明显不规则性,则某些微行星最终会相对缓慢地移动,甚至于它们能黏合而非撞毁。

该模型支持了一种称为冲流不稳性(streaming instability)的微行星形成机制,解释某些微行星如何在碰撞中幸存下来,研究团队希望未来模型能解释更多类似塔图因的系外行星起源,分析联星系统中原行星盘的流体动力学。新论文发布在《天文与天体物理学报》(Astronomy and Astrophysics)。

(首图为半人马座α星A、B系统,来源:欧洲南方天文台)