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在這張藝術構想圖中，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，包括氰化氫和更復雜的腈。盤中特定位置的分子湯塑造了在那里形成的行星的未來。圖片來源：M.WEISS/哈佛和史密森尼天體物理學中心

9月15日在預印本平臺arXiv中發表的20篇系列論文表明，天文學家已經非常詳細地繪制了行星“托兒所”內的化學物質。

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域)內數十種分子的位置。

生命存在或更廣泛

領導圖集制作項目的哈佛—史密森尼天體物理學中心天文學家凱琳·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。“這真的很令人興奮。每個盤中的化學物質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。”

研究結果表明，導致地球上生命存在的基本化學條件可能會更廣泛地存在于整個銀河系中。在環繞新形成的恒星的原行星盤中發現了大的有機分子，而一個類似的盤曾經圍繞著年輕的太陽，形成了現在構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(如太空中大量發現的一氧化碳)與創造和維持生命所需的更復雜分子之間的“墊腳石”。

行星在不同的“湯”中形成

新的圓盤圖顯示，原行星盤中的化學物質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)。結果表明，行星的形成發生在不同的化學環境中，并且在它們形成時，每個行星可能會根據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。盤中的許多化學物質都是有機物，這些有機物在特定盤內的分布變化很大。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。”

另一篇論文則繪制了18種分子(包括氰化氫和其他與生命起源有關的腈)在五個盤中的具體位置。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/亞毫米陣列望遠鏡(ALMA)拍攝的。收集的數據高達100TB字節，研究人員花了兩年時間來分析，并將其分解成每個分子的單獨圖示。

每個盤的最終圖示表明，即使在單個盤中發生的化學反應也比人們想象的要復雜得多。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子結構集。在這些盤中形成的行星將經歷非常不同的化學環境。”

重要的是，這些有機分子所在的盤區域也是小行星和彗星形成的地方。在這些盤中也可能發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移到新形成的行星上。

研究人員表示：“這項工作的主要結果表明，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境中發現。”

尋找未來的行星新生兒

新研究項目不僅僅為天文學家提供研究圓盤化學環境的機會。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的位置，這使科學家能夠將觀察到的化學湯與特定行星的未來成分聯系起來。”

研究人員正使用收集的數據和圖集來尋找新生行星。天文學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約300萬年，掩蔽了年輕的、正在發育的行星。

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。天文學家可以測量的移動物質的速度應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“在盤結構中形成開放的缺口”，以便人們可以看到它們，但這個過程將需要數千年的時間。研究人員希望比即將發射的詹姆斯韋伯太空望遠鏡領先一步確認這些發現，并在未來通過研究更多的原行星盤來證實這一結果。

廣闊宇宙：行星在不同的湯中形成