中新網(wǎng)北京2月27日電 (記者 孫自法 鄭瑩瑩)在天文學(xué)界，有一類(lèi)2000年才被首次探測(cè)到、近5年內(nèi)觀(guān)測(cè)樣本陡增的神秘天體——流浪行星質(zhì)量天體(Planetary Mass objects, PMOs)，其究竟是如何形成的問(wèn)題備受關(guān)注。
中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)鄧洪平研究員領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際合作科研團(tuán)隊(duì)，最新研究發(fā)現(xiàn)形成流浪行星質(zhì)量天體的全新機(jī)制，他們認(rèn)為，質(zhì)量介于恒星與行星之間的流浪行星質(zhì)量天體，既非傳統(tǒng)恒星形成過(guò)程的產(chǎn)物，也非被驅(qū)逐的巨行星，而是通過(guò)年輕恒星的星周盤(pán)發(fā)生潮汐相互作用直接形成。
這項(xiàng)對(duì)于理解星團(tuán)對(duì)行星形成的影響、探索恒星形成和行星形成的邊界有重要意義的天文學(xué)研究，由中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)聯(lián)合香港大學(xué)和美國(guó)加州大學(xué)圣克魯茲分校、瑞士蘇黎世大學(xué)等中外研究機(jī)構(gòu)的合作伙伴共同完成，相關(guān)成果論文北京時(shí)間2月27日凌晨在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)發(fā)表。
現(xiàn)有兩種理論無(wú)法釋疑
鄧洪平研究員介紹說(shuō)，流浪行星質(zhì)量天體的質(zhì)量通常低于氘燃燒極限(約13倍木星質(zhì)量)，接近巨行星，卻不被任何恒星所束縛，美國(guó)詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡(JWST)已觀(guān)測(cè)證實(shí)該神秘天體廣泛存在于年輕星團(tuán)中。
詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)獵戶(hù)座星云中“四合星”星團(tuán)附近區(qū)域的近紅外波段成像。(圖片來(lái)源：NASA,ESA,CSA/M.McCaughrean,S.Pearson)過(guò)去20多年，天文學(xué)家們認(rèn)為流浪行星質(zhì)量天體可能是分子云坍縮形成的極低質(zhì)量恒星，或是從母恒星系統(tǒng)中被拋射出來(lái)的巨行星。然而，這兩種理論均無(wú)法解釋流浪行星質(zhì)量天體的豐度之多、多體系統(tǒng)(如雙星或三星)之繁，以及其與恒星運(yùn)動(dòng)特征之間的一致性。例如，獵戶(hù)座大星云中的“四合星”(Trapezium)星團(tuán)內(nèi)，流浪行星質(zhì)量天體的數(shù)量遠(yuǎn)超傳統(tǒng)恒星質(zhì)量函數(shù)的預(yù)測(cè)，且約9%的流浪行星質(zhì)量天體以多體系統(tǒng)形式存在，這與極低質(zhì)量恒星系統(tǒng)的特性截然不同。
另一方面，很多流浪行星質(zhì)量天體周?chē)嬖谘诱沟臍怏w盤(pán)，半徑可達(dá)100倍日地距離(天文單位，AU)。這預(yù)示著流浪行星質(zhì)量天體與恒星同時(shí)形成于星云氣體耗散之前，且未曾被恒星束縛，否則流浪行星質(zhì)量天體氣體盤(pán)的大小將被恒星引力嚴(yán)重限制，因此，流浪行星質(zhì)量天體也不是被主星拋射出來(lái)的巨行星。
星周盤(pán)相遇“潮汐橋”
鄧洪平指出，流浪行星質(zhì)量天體難以被現(xiàn)有的恒星或行星形成理論解釋?zhuān)偈寡芯繄F(tuán)隊(duì)提出早期星周盤(pán)相互作用形成流浪行星質(zhì)量天體的全新理論。他們通過(guò)高精度流體動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩顆年輕恒星的星周盤(pán)以特定角度和速度近距離相遇時(shí)，潮汐力會(huì)拉伸并形成細(xì)長(zhǎng)的“潮汐橋”。這些橋狀結(jié)構(gòu)在引力作用下進(jìn)一步收縮為致密的線(xiàn)狀分子云，最終斷裂并坍縮成獨(dú)立的流浪行星質(zhì)量天體。
實(shí)驗(yàn)?zāi)M顯示，這一過(guò)程在密集星團(tuán)(如“四合星”星團(tuán))中的產(chǎn)生效率極高。當(dāng)星周盤(pán)以每秒2—3公里的速度、300—400天文單位的距離擦肩而過(guò)時(shí)，“潮汐橋”的線(xiàn)密度超過(guò)穩(wěn)定性的臨界值，可同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)流浪行星質(zhì)量天體，甚至形成緊密的雙星或三星系統(tǒng)。
相遇星周盤(pán)之間形成“潮汐橋”并坍縮形成流浪行星質(zhì)量天體雙星的三維流體力學(xué)模擬示例。中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái) 供圖在致密的“四合星”星團(tuán)中，恒星相遇頻繁，且恒星速度彌散恰好在每秒2—3公里之間，因此形成流浪行星質(zhì)量天體的“搖籃”，孕育了目前觀(guān)測(cè)到的最大流浪行星質(zhì)量天體群。而在恒星運(yùn)動(dòng)速度彌散很小的IC348星團(tuán)中流浪行星質(zhì)量天體很稀有。此外，這些形成的流浪行星質(zhì)量天體周?chē)€保留了延展的氣體盤(pán)，也與觀(guān)測(cè)結(jié)果高度吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證本次研究提出的星周盤(pán)發(fā)生潮汐相互作用直接形成流浪行星質(zhì)量天體理論的可靠性。
可能代表一類(lèi)全新天體
研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，本次研究提出形成流浪行星質(zhì)量天體的全新機(jī)制，不僅能解釋流浪行星質(zhì)量天體的豐度和性質(zhì)，還暗示它們可能代表了一類(lèi)全新的天體，從而為理解宇宙中流浪行星的形成機(jī)制提供了新的思路。
相遇星周盤(pán)拉扯出成對(duì)流浪行星的三維模擬(Credit：鄧洪平)。中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái) 供圖“流浪行星質(zhì)量天體或許構(gòu)成了宇宙中既非恒星、也非行星的一類(lèi)天體，將幫助我們理解恒星形成和行星形成的邊界。”鄧洪平說(shuō)。
目前，流浪行星質(zhì)量天體的觀(guān)測(cè)樣本正在迅速增長(zhǎng)。研究團(tuán)隊(duì)透露，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)領(lǐng)導(dǎo)的系外地球巡天計(jì)劃能通過(guò)微引力透鏡法高效地搜尋流浪行星，針對(duì)不同星團(tuán)中流浪行星質(zhì)量天體發(fā)生率和性質(zhì)的研究，將進(jìn)一步揭示他們發(fā)現(xiàn)的全新機(jī)制在宇宙中的普適性。(完)