棕矮星周围尘埃盘存在毫米级固体尘埃颗粒
发布于 2012-12-19 已有 人阅读
借助阿塔卡玛毫米/亚毫米大型射电阵列(ALMA),天文学家首次在一颗棕矮星周围尘埃盘的外围区域,发现了毫米级的固体尘埃颗粒,该颗粒与新生恒星周围原行星盘中的尘埃微粒大小相当。该发现挑战了类似地球大小岩态行星的形成理论,并意味着宇宙中的岩态行星可能比我们预期的更普遍。

矮行星周围行星盘的模拟图
一般认为,岩态行星是恒星周围物质盘中的微粒随机碰撞、粘合的结果。这些宇宙尘埃,类似于极细的沙尘或煤烟。但在棕矮星周围的外部区域,天文学家预期,由于盘太稀疏、其中的尘埃运动得太快,它们既使相撞也无法粘合在一起。另外,流行的理论还认为,那些企图形成行星的微粒会很快落向中央的棕矮星,在它们被探测到之前就消失了。这里说的棕矮星,是指一类失败的恒星:它们的质量太小,以致于不能收缩到足够的温度,像恒星一样通过核聚变发光。
在由美国、欧洲和智利科学家组成的研究团队中,报告首席作者、美国加州理工学院的卢卡•里奇(Luca Ricci)解释说:“按理说,棕矮星尘埃盘的寒冷外围区域中,不能形成这么小的固体微粒。但是观测却显示它能。我们无法确定那个区域中是能演化出完整的岩态行星,还是我们恰好看到了演化过程的第一步。因此我们将不得不改变关于岩态行星成长的模型假设。”

矮行星周围行星盘中尘埃颗粒的模拟图
与之前那些射电望远镜相比,ALMA强大的分辨率使得天文学家能够测定棕矮星周围一氧化碳(CO)的分布——首次在尘埃盘这样小的区域内探测到寒冷气体分子的信号。CO分子信号,加上毫米级尘埃信号,使得该尘埃盘非常类似于预期的年轻恒星周围的原行星盘。
里奇和他的同事,使用位于智利高原上已经部分完成的ALMA阵列实现了他们的发现。借助阿塔卡玛毫米/亚毫米大型射电阵列(ALMA)是正在安装的高精度碟状天线阵,它们将协同工作,等效于一个巨大的射电天线,以创纪录的高精度和高灵敏度观测宇宙。ALMA能"看见"毫米波,那是我们肉眼看不见的长波段。预计2013年ALMA全部组装完成,但天文学家从2011年起就用已就位的部分ALMA天线开始了观测。

本文观测的棕矮星在恒星形成区的位置,赤经16h 27m 6.60s,赤纬:-24° 41' 48.75"
天文学家用ALMA指向年轻的棕矮星ISO-Oph102,它也称为Rho-Oph102,位于蛇夫座的心宿增四(Rho Ophiuchi,蛇夫座ρ)恒星诞生区内。该天体的质量仅为0.06个太阳,或60个木星,由于质量太小,它不能像普通恒星那样点燃热核聚变的能源。但是,它还能通过缓慢的引力收缩而辐射热量,使其呈现红色,当然它比普通恒星要暗得多。
棕矮星周围被其加热的盘内物质能辐射毫米波段的光,这正是ALMA的工作波长。盘中微粒,很少辐射比其本身尺度更长的射电波,因此我们预期能观测到在较长波段亮度的急降。ALMA正是测量这种急降的理想工具,由此能推断微粒的大小。天文学家比较了0.89mm和3.2mm的尘埃盘亮度,没有发现预期中的亮度陡降,因此说明至少有部分微粒有毫米级大小,小部分更已超过。

PDF插图,两个波段的亮度没有明显区别。
研究团队成员、ESO的Leonardo Testi评论道:“ALMA是解决行星系统形成之谜的强大新工具。要实现同样的观测,当代射电望远镜要持续观测一个月——耗时实在太长了,事实上是不可能的。但是,仅仅使用了ALMA最终能力的1/4数量的天线,我们仅用1小时不到就实现了本观测!”
在不远的将来,完成后的ALMA将有足够的能力绘制Rho-Oph102或类似天体周围行星盘的细节。“我们很快就不但能探测到环绕恒星的物质盘中的微粒,还能绘制它们的分布、以及它们如何与盘中气体(我们也探测到了)的相互作用。这将有助于我们更好地理解行星是怎样形成的。”
研究报告已经刊登在《天体物理学》期刊上。Ricci和Testi团队的成员还包括:意大利国立天体物理研究院(INAF)下属Arcetri天文台的Antonella Natta,(爱尔兰)都柏林高等研究院的Aleks Scholz,ALMA联合天文台的Itziar de Gregorio-Monsalvo。

棕矮星所在天区在星座中的位置