这里竟藏着行星形成的秘密？

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ALMA 望远镜（Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array）观测到的原行星盘（左）和超级计算机 ATELUI 2模拟的原行星盘（右）的对比图。右图显示了行星正从原行星盘的外部向内部移动的过程，虚线代表行星的轨道，灰色区域代表模拟计算域之外的区域。

图片来源：金川和弘、ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

从超级计算机ATELUI 2 上得到的模拟结果来看，在原行星盘的尘埃环状结构中不仅存在行星，还可能存在行星移动的痕迹。这项研究的成果为过去的原行星盘观测结果增添了一个新的视角。

原行星盘由气体和尘埃组成，是行星的诞生地。近年来，专家通过高精度的观测揭示了它们形成的细节。特别是使用ALMA望远镜进行的射电观测结果表明，许多原行星盘有一个由尘埃形成的环状结构。专家推测，形成环状结构的原因之一可能是原行星盘内有行星“诞生”。当行星在原行星盘中“诞生”时，其与周围的气体和引力互相影响，从而降低了沿途气体和尘埃的密度，在盘中形成间隙。数值模拟已经证实，尘埃会在间隙的外缘聚集形成环状。

过去的理论研究表明，因行星“诞生”而产生的间隙结构，也被称作“湍流”，是由于盘中气体的复杂运动造成的。从ALMA望远镜得到的观测结果表明，湍流很弱，原行星盘中的湍流正平静地流动着。然而，我们尚未探明行星在如此弱的湍流之中“诞生”的时候发生了什么。

为了弄清这个问题，茨城大学的金川和弘专家和其团队使用日本国家天文台的天文学专用超级计算机 ATELUI 2 进行了高分辨率的模拟。随后，他们成功解开了湍流微弱的原行星盘中的行星与尘埃环状结构的关系。此前人们一直认为，由行星“诞生”形成的环状结构总是伴随着这颗行星。然而，本次的计算结果显示，行星可能会将“诞生”时形成的环状结构“留在原地”，然后向其中心年轻的恒星移动。由于行星在其移动后的地点也会形成新的环状结构，因此原行星盘内就会有两个环状结构，一个在“诞生”时的“起点”，一个在移动后的“终点”。

从本次的模拟结果来看，原行星盘中的环状结构不仅可能代表行星“诞生”时的位置，还可能表明了它们移动过的痕迹。这项研究据此提出了一种行星形成的新设想，认为行星会从原行星盘的外部向内部进行动态迁移。

更有趣的是，许多用 ALMA 望远镜发现了环状结构的原行星盘也具有本次模拟中显示的结构。我们希望今后能够发现更多具有环状结构的原行星盘，这将为研究行星的迁移和演变提供更多的信息。当然，如果使用像TMT（Thirty Meter Telescope，30米望远镜）这样的超大型望远镜，或是ngVLA（next generation Very Large Array，次世代大型射电干涉仪）这样的次世代大型望远镜，我们就能实现更高精度的观测，发现那些迁移到其中心年轻恒星附近的行星，这将为本研究中提出的新设想提供强有力的支持。

超级计算机 ATERUI 2 的模拟计算中得到的随行星移动变化的尘埃环状结构（上半部分）和与之相应的由ALMA观测到的原行星盘（下半部分）。在上半张图中，虚线代表行星的轨道，灰色区域代表模拟计算域之外的区域，其显示了行星在开始移动（左）、移动途中（中）、移动后（右）各阶段时原行星盘的样子。

图片来源：金川和弘、ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)

此次的研究成果，以“Kazuhiro D. Kanagawa et al. ‘Dust rings as a footprint of planet formation in a protoplanetary disk’”为题，于2021年11月12日刊登在美国天体物理学杂志《天体物理学报》（The Astrophysical Journal）上。

摩天大楼上方的食月

图像提供与版权：Yuri Beletsky （Carnegie Las Campanas Observatory， TWAN)