原行星盘比预期更小：一项 ALMA 新研究

在天文学中，你最初看到的东西可能最不具代表性。“热木星”就是一个很好的例子。早在 Buzz Aldrin 和 John Barnes 在他们的小说《与提伯的相遇》（Encounter with Tiber）中，就推测过气态巨行星能够在恒星周围极其紧密的轨道上生存。当 1990 年代 Greg Matloff 被问及此事时，他进行了计算，并惊讶地证实了它们在理论上存在的可能性。引用 Matloff 的话：

尽管我最初非常怀疑，因为当时标准的太阳系形成模型似乎排除了这种可能性，但我查阅了文献，找到了适当的公式（Jastrow 和 Rasool，1965）……令我惊讶的是，Buzz 是正确的。这颗行星的大气层可以稳定数十亿年。由于我当时担任顾问和兼职教授，我没有通过将我的结果提交给主流期刊来挑战现有的物理范式。由于“热木星”在小说出版前不久被发现，我现在被认为是预测了这种世界的存在。

1995 年，飞马座51b (51 Pegasi b) 令人信服地证实了“热木星”的存在。我们现在也知道，之所以开始发现这些行星，是因为我们在 1990 年代中期用于探测系外行星的最佳方法涉及视向速度和凌星测量，这两种方法在处理近距离轨道上的大型行星时最为有效。据我所知，目前的估计发现，在 F 型、G 型或 K 型恒星周围，只有大约 0.5-1% 的这类行星。像 TOI-4201b 这样的热木星在 M 矮星周围的罕见性，凸显了这些天体有多么罕见。

观测偏差可能是一件棘手的事情。那么，在我们研究行星如何形成的过程中，是否也发生了类似的现象呢？人们对原行星盘进行了广泛的研究，其中一些盘显示出似乎处于早期形成阶段的行星。当我阅读有关 TW Hydrae 和 HL Tauri 等星盘的研究时，我一直认为它们质量巨大。在某些情况下，它们远远超出了我们太阳系的外围范围。但是现在我们有了一项新的研究，有力地证明了像这样的星盘并不典型。

这项研究涉及来自 ALMA（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列）的数据。它包括来自 2023 年和 2024 年分辨率为 0.030 角秒的观测数据，以及分辨率稍高的存档数据，以生成对整个恒星形成区域的高分辨率调查。成像包括天狼座恒星形成区（距地球约 400 光年）中年轻恒星周围的所有已知原行星盘。

结果表明，我们对原行星盘的了解还有很多。最小的盘的半径仅为 0.6 天文单位，这意味着它比地球的轨道还小。研究人员还了解到，指向行星形成的特征不会出现在较小的盘中。因此，主要作者 Osmar M. Guerra-Alvarado（荷兰莱顿大学）表示：

“这些结果完全改变了我们对‘典型’原行星盘的看法。只有最容易观测到的最亮的盘才会显示出大规模的间隙，而没有这种亚结构的紧凑盘实际上更为常见。”

图片： 天狼座恒星形成区中 73 个原行星盘的图像（其中两个图像包含双星）。与我们自己的太阳系相比，只有一小部分盘延伸到海王星轨道之外。大多数观测到的盘都很小，并且没有像间隙和环这样的结构。(c) Guerra-Alvarado et al.

莱顿大学的同事 Nienke van der Marel 补充说：

“大多数小盘不显示间隙这一发现，意味着大多数恒星不拥有巨行星。这与我们在完全成熟的恒星周围看到的系外行星种群一致。这些观测结果将盘的种群直接与系外行星的种群联系起来。”

较小的原行星盘发现在质量为太阳质量的 10% 到 50% 之间的恒星周围。虽然像这样的星盘似乎不是形成气态巨行星的最佳选择，但它们可能是超级地球的沃土，大部分尘埃都位于靠近宿主恒星的位置。鉴于此背景，我们自己的太阳系可能由一个更大的原行星盘形成，该原行星盘足够大，可以产生木星和土星。

图片： 这是艺术家对一颗年轻恒星的印象，该恒星被一个正在形成行星的原行星盘所环绕。天文学家使用 ALMA 的 15 公里基线首次制作了一张原行星盘的详细图像，该图像揭示了该盘的复杂结构。在这位艺术家的印象中，可以看到同心气体环，其间隙表明了行星的形成，这些环是计算机模拟预测的。现在，ALMA 首次观测到了这些结构。请注意，行星未按比例显示。Credit: ESO/L. Calçada.

从论文中：

事实上，我们在天狼座区域观测到了许多紧凑的星盘，无论有没有亚结构，这都与 van der Marel & Mulders (2021) 的情景相符，在这种情景中，这些星盘经历着显着的径向漂移，可以提供足够的尘埃物质来形成多个超级地球 (Sanchez et al. 2024)。这为迄今为止围绕 M 型恒星观测到的系外行星种群的起源提供了一种可能的解释。此外，我们仍在观测这些星盘这一事实可能需要一些东西来阻止尘埃漂移和捕获粒子。与其形成一颗木星或土星质量的行星，不如在这些星盘的内部区域形成几颗超级地球或更小的行星，从而共同阻止漂移 (Huang et al. 2024b)。

因此，我们必须再次审视观测偏差的问题。与热木星一样，我们的最佳方法不断改进，随着这些方法的改进，我们逐渐形成了对所研究现象的更广泛的认识。就最新的 ALMA 工作而言，我们正在深入研究更高分辨率的测量，这些测量可以开始梳理出有关小型星盘的信息，这些星盘以前仅根据亮度而不是大小进行研究。“典型”星盘原来与 ALMA 最初揭示的大型、明亮的星盘有所不同。

该论文由 Guerra-Alvarado 等人撰写，题为“天狼座中原行星盘的高分辨率调查以及紧凑盘的性质”，已被 Astronomy & Astrophyiscs 接受发表 (预印本)。