科技日報記者 張夢然
9月15日在預(yù)印本平臺arXiv中發(fā)表的20篇系列論文表明，天文學(xué)家已經(jīng)非常詳細地繪制了行星“托兒所”內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)。新公布的圖集揭示了五個原行星盤（行星在年輕恒星周圍形成塵埃和氣體的區(qū)域）內(nèi)數(shù)十種分子的位置。
在這張藝術(shù)構(gòu)想圖中，行星是由圍繞一顆年輕恒星的原行星盤中的氣體和塵埃形成的。這種氣體由許多不同的分子組成，包括氰化氫和更復(fù)雜的腈——與地球上生命的發(fā)展有關(guān)。盤中特定位置的分子湯塑造了在那里形成的行星的未來，并決定了該行星是否可以支持我們所知道的生命。圖片來源：M.WEISS/哈佛和史密森尼天體物理學(xué)中心
原行星盤中的大有機分子
領(lǐng)導(dǎo)圖集制作項目的哈佛—史密森尼天體物理學(xué)中心天文學(xué)家凱琳·奧伯格表示，這些行星形成盤中充滿了有機分子，其中一些與地球上生命的起源有關(guān)。“這真的很令人興奮。每個盤中的化學(xué)物質(zhì)將最終影響形成的行星類型，并決定行星是否可以承載生命。”
研究結(jié)果表明，導(dǎo)致地球上生命存在的基本化學(xué)條件可能會更廣泛地存在于整個銀河系中。在環(huán)繞新形成的恒星的原行星盤中發(fā)現(xiàn)了大的有機分子，而一個類似的盤曾經(jīng)圍繞著年輕的太陽，形成了現(xiàn)在構(gòu)成我們太陽系的行星。
這些分子的存在意義重大，因為它們是更簡單的碳基分子（如太空中大量發(fā)現(xiàn)的一氧化碳）與創(chuàng)造和維持生命所需的更復(fù)雜分子之間的“墊腳石”。
行星在不同的湯中形成
新的圓盤圖顯示，原行星盤中的化學(xué)物質(zhì)在每個盤中的分布并不均勻。相反，每個盤都充滿不同的行星形成湯（分子混合物或行星成分）。結(jié)果表明，行星的形成發(fā)生在不同的化學(xué)環(huán)境中，并且在它們形成時，每個行星可能會根據(jù)其在盤中的位置而暴露于截然不同的分子中。
系列論文之一的主要作者奧伯格說，“我們的圖集揭示了行星在盤中形成的位置非常重要。盤中的許多化學(xué)物質(zhì)都是有機物，這些有機物在特定盤內(nèi)的分布變化很大。兩顆行星可以圍繞同一顆恒星形成，它們的有機物含量非常不同，因此很有可能存在生命。”
另一篇論文展示的研究，則繪制了18種分子（包括氰化氫和其他與生命起源有關(guān)的腈）在五個盤的每一個中的具體位置。這些圖像是研究人員在2018年和2019年使用智利阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列 (ALMA) 拍攝的。收集的大量數(shù)據(jù)高達100TB字節(jié)，研究人員花了兩年時間來分析，并將其分解成每種分子的單獨圖示。
每個盤的最終圖示表明，即使在單個盤中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)也比人們想象的要復(fù)雜得多。研究人員解釋說：“每個單獨盤看起來都與下一個大不相同，都有自己獨特的化學(xué)子結(jié)構(gòu)集。在這些盤中形成的行星將經(jīng)歷非常不同的化學(xué)環(huán)境。”
重要的是，這些有機分子所在的盤區(qū)域也是小行星和彗星形成的地方。在這些盤中也可能發(fā)生類似于在地球上啟動生命的過程——小行星和彗星的轟擊將大有機分子轉(zhuǎn)移到新形成的行星上。？
研究人員表示，“這項工作的主要結(jié)果表明，在我們的星球上孕育生命所需的相同成分也存在于其他恒星周圍。在行星上啟動生命所需的分子可能很容易在所有行星形成環(huán)境中發(fā)現(xiàn)。”
尋找未來的行星新生兒
新研究項目不僅僅為天文學(xué)家提供研究圓盤化學(xué)環(huán)境的機會。奧伯格說：“我們的團隊使用這些圖集來展示一些正在形成的行星位于盤內(nèi)的位置，使科學(xué)家能夠?qū)⒂^察到的化學(xué)湯與特定行星的未來成分聯(lián)系起來。”
研究人員正使用收集的數(shù)據(jù)和圖集來尋找新生行星。天文學(xué)家確信行星是在原行星盤中形成的，但有一個問題：他們無法直接看到它們。密集的氣體和塵埃將持續(xù)約300萬年，掩蔽了年輕的、正在發(fā)育的行星。
研究人員表示，“這就像在看一條水下的魚。我們知道它們在那里，但我們無法看見水深處的魚。我們必須在水面上尋找細微的跡象，比如漣漪和波浪。”
在原行星盤中，氣體和塵埃自然地圍繞中心恒星旋轉(zhuǎn)。天文學(xué)家可以測量的移動物質(zhì)的速度應(yīng)該在整個盤上保持一致。但如果一顆行星潛伏在表面之下，研究人員認為它會輕微擾亂圍繞它移動的氣體，形成速度的微小偏差，導(dǎo)致螺旋狀氣體以意想不到的方式移動。
使用這種策略，研究人員分析了五個原行星盤中的兩個——圍繞年輕恒星HD 163296和MWC 480 的氣體速度。盤中某些部分的速度出現(xiàn)小波動，揭示了每個盤中都嵌有一顆年輕的類似木星的行星。
研究人員說，隨著行星的生長，它們最終會“在盤結(jié)構(gòu)中形成開放的缺口”，以便人們可以看到它們，但這個過程將需要數(shù)千年的時間。研究人員希望比即將發(fā)射的詹姆斯韋伯太空望遠鏡領(lǐng)先一步確認這些發(fā)現(xiàn)，并在未來通過研究更多的原行星盤來證實這一結(jié)果。
來源：科技日報
