行星形成的条件

行星形成的条件
行星形成的条件

行星形成的条件
新的研究预言了类地行星在一个恒星周围形成所需的条件是该恒星至少具有太阳中十分之一的金属量.如果研究者发现小的岩石行星围绕着具有更低的金属量的恒星运动,那么它将对当前所接受的行星形成的“核吸积”（Core Accretion）模型提出挑战.
在新的研究中,科学家试图确定行星在一个恒星系中形成所需要的精确条件.洛斯·阿拉莫斯国家实验室的 Jarret Johnson 和李辉（音）断言观测在逐渐地暗示行星的形成发生于具有较高的金属量的恒星系中.
天文学家在提及比氢和氦更重的元素——比如氧、硅和铁时,会使用“金属量”这个术语.在行星形成的“核吸积”模型中,当组成环绕年轻恒星的物质盘里面的尘埃颗粒相互碰撞,并组成小的称为“小行星体”时,一个岩石的核心逐渐形成.根据这个模型, Johnson 和李强调重元素对于形成尘埃颗粒和构造行星核的小行星体至关重要.
此外,证据显示当年轻的恒星的金属量较低时,围绕它的环星尘埃盘不会存在足够长时间.这个较短的寿命的最可能原因是来自恒星的光使得尘埃云蒸发.
行星纪元我们宇宙的历史有几个定义的“纪元”,其中一个指向恒星系中开始形成行星.在第一个行星形成之前,诸如碳、硅和氧之类的重元素需要首先由超新星和第一代恒星的星核所创造.
“我们的计算估计了在行星形成前,环星盘中所需要的重元素的最少含量.” Johnson 说道.“由于这些重元素必须由宇宙中的第一批恒星产生,第一批行星只能在后面产生的恒星周围形成.”
理解第一批行星是如何形成的提供了关于早期宇宙的重要行星.此外,对于早期行星形成的更好理解影响了天文学的诸多方面,包括对地外生命的寻找.
根据这个小组（的说法）,一个关于行星形成的成功理论需要对最早的行星和它们的主恒星的性质作出预言.这样的一个理论能够通过研究我们的星系当中古老的行星系统进行检验.通过超新星来丰富气体中的金属被认为不仅对行星的形成,也对如我们的太阳这种低质量的恒星的形成造成了影响.
“只有恒星和超新星使得气体中富集了大量——至少相当于太阳中含量的十分之一的重元素之后,一个和地球一般重和致密的行星才可能形成.”
一个关于行星形成的重要考虑是在主恒星周围的环星气体尘埃盘的扩散率.行星盘的扩散的两个重要机制分别是巨行星的形成和由主恒星导致的光蒸发.光蒸发看上去是更加主要的过程,它主导了环绕恒星的行星盘的寿命.观测表明具有低金属量的（行星）盘具有更短的寿命,这也被显示高金属量的盘在来自主恒星的辐射下被更好的“阻挡”了蒸发的数据所支持.
Johnson 和李进一步宣称,具有更高的金属量的盘倾向于形成更多的大质量巨行星.
尘埃的寿命为了得到对于行星形成所必需的临界金属量的估计, Johnson 和李将盘的寿命和盘里面的尘埃颗粒沉积下来所需要的时间长度进行了比较.基本上,对一个形成行星的恒星系来说,尘埃颗粒沉积下来所需要的时间不能超过行星盘的寿命.
这个研究组解释了当两个时间尺度相等时的尘埃-气体比例给出了一个临界金属量的估计,这时在他们的模型中行星恰好能够形成.由于尘埃颗粒的沉积时间依赖于盘的密度和温度,这又和它们与主恒星的距离相关,因此临界的金属量也是一个离主恒星的距离的函数.
“我们的计算和其它的许多（模型）比起来相对简单,因为我们仅仅关注那些我们认为在决定恒星在低金属量的时候形成所需要的时间尺度的关键过程.” Johnson 说.“这些过程是尘埃颗粒成长为小行星体,以及盘在来自主恒星的高能辐射的作用下崩解.尽管计算很简单,它确实显示了现有的行星形成模型能够在原则上解释最低金属量的行星是如何形成的.”
这个小组在和数据进行比较的时候作出了几个假设.第一个假设是主恒星表面的金属量和它及其行星所形成的原始恒星盘中的（金属量）相同.其次,这个小组假设了环形的行星轨道.当轨道高度偏心时,将数据和理论预言进行比较会更加困难.最后,这个小组假设行星不会从它们在盘里面诞生时的初始位置朝向或者远离恒星运动.
这个研究组发现小行星体只能在原始的恒星盘当中的金属量达到某个最低值的情况下才能形成.由于在宇宙中所形成的最早的恒星（第三星族恒星）不具备形成行星所需的金属量,人们认为来自这些恒星的超新星爆发帮助了接下来的恒星（第二星族恒星）中的元素富积,这些恒星可能还存在,并可能携带行星.
最早的行星基于他们的公式,这个小组发现一部分最早的行星可能在距离它们的父母恒星为0.03个天文单位的地方形成（作为对比,水星的轨道略低于0.4天文单位）.由于在如此小的轨道上的高温（估计大约为1600开氏度或者1300摄氏度）,据我们所知,这会导致所形成的行星太热,以至于无法支持生命.
“有趣的是,我们的结果也指出,最早的类地行星可以在略重于太阳的恒星的宜居带里面形成.” Johnson 补充到.“由于更重的恒星燃烧殆尽的速度更快,在那些行星上演化出的生命很可能已经随着它的主恒星的死亡而灭绝了,这些恒星可能只能生存40亿年,作为对比,太阳的预期寿命是100亿年.“
Johnson 和李也强调类地行星的形成并非是生命产生的充分前提,他们声明早期的星系充满了大量的超新星和黑洞——这两者都是能够威胁生命的强辐射源.由于早期宇宙中的恶劣环境,人们一般认为适合生命的条件仅仅在早期的星系形成之后才出现.
“然而,随着大量的新的地外行星被发现和定性,我们关于行星形成所需的最小金属量的理论也可能会受到挑战.” Johnson 推论说.“看到（我们的模型）如何继续下去将令人振奋.”
Journal 和李的研究结果即将发表在天体物理学的期刊上.