紫金山天文台等揭示HL Tau原行星盘特征结构成因

[ 录入者:zhangms | 时间:2016-02-27 09:56:35 | 作者: | 来源:紫金山天文台网站 | 浏览:1245次 ]

2016年2月,The Astrophysical Journal (《天体物理学杂志》) 在线发表了中科院紫金山天文台研究员季江徽课题组与美国洛斯阿拉莫斯国家实验室研究员Li Hui课题组和美国Rice 大学Isella Andrea博士等合作关于HL Tau原行星盘的研究成果,该项研究基于行星与原行星盘中气体、尘埃的相互作用的模型,揭示了Atacama Large Millimeter/submillimeter Array(ALMA)射电干涉阵观测到的HL Tau原行星盘中明暗交错的环带特征可能源于系统存在三颗未曾发现的行星,对行星系统的形成演化具有重要意义。

图1 ALMA的band7观测数据给出的HL Tau系统的毫米波图像 (ALMA)。

原行星盘是环 绕在年轻恒星周围,由相对较高密度的气体和尘埃组成的气体盘。原行星盘在分子云坍缩过程中与年轻的恒星同时形成,并围绕恒星旋转。原行星盘的半径可达 1000 AU (天文单位),它是行星系统的诞生地。原行星盘的主要成分是气体,并含有少量尘埃。尽管尘埃在原行星盘内所占的质量比很低,却是原行星盘辐射转移的主角, 对原行星盘的演化起着至关重要的作用。

HL Tau是距地球140 pc的一颗年轻恒星,由于其周围存在一个原行星盘,HL Tau系统一直是毫米波天文观测的热点。2014年,ALMA发布了针对HL Tau系统的科学测试观测结果(图1),表明该系统的原行星盘内存在多个明暗交错的环带。此项观测结果是2014年国际天文学界的重大发现之一,并引起了 公众的广泛关注。这是天文学家第一次得到原行星盘的高分辨率图像(分辨率为~3.5 AU),其给出的结构特征对研究行星系统的形成演化有重要意义,因为我们太阳系的行星系统就是诞生于和HL Tau系统类似的原行星盘中。更为重要的是,HL Tau系统内明暗交错的环带与理论上由类木行星(例如木星)在气体盘中打开的空带(gap)相符。这些观测到的明暗环带究竟是什么,它们又是如何形成的 呢?

针对HL Tau原行星盘内明暗环带的成因解释主要可分为两类:第一类解释试图从原行星盘内的物理环境出发,比如Rossby wave instability,zonal flow,不同温度下不同物质的凝结等机制。第二类解释是行星与气体盘、尘埃盘的相互作用导致,即观测到的暗条纹即是行星形成理论中巨行星在盘内打开的空 带的观测证据。

在该项研究中,科研人员首先基于原行星盘内行星与气体、尘埃相互作用的模型,开展了几十组数值模拟计算,并考虑辐射转移过程计算了不同模型参数所对应的 观测图像,最终给出了一组最佳拟合ALMA观测数据的结果(图2)。 该项工作表明,三颗位于13.1,33.0和68.6 AU处,质量分别为0.35,0.17和 0.26 木星质量的行星可以得到和ALMA观测结果非常相符的毫米波图像。 研究人员根据ALMA的观测结果限定了HL Tau原行星盘内的光谱指数与尘埃大小。研究表明,观测到的暗条纹属于光学薄的真正空带,而且这些空带是在气体盘和尘埃盘内同时存在的。研究结果揭示了以 行星与原行星盘的相互作用是这些明暗交错的环带特征的成因。这项工作不仅有助于人们深入理解HL Tau系统中原行星盘的演化和行星形成过程,对于认识我们太阳系的起源演化也有重要科学意义。

该项研究工作第一作者为紫金山天文台的晋升博士。

该工作得到了中国科学院行星科学重点实验室、中国科学院天文战略性先导科技专项(B类)、国家自然科学基金等项目资助。

文章链接:http://stacks.iop.org/0004-637X/818/76

图2 ALMA的观测结果(左)、模型对应的模拟观测(中)、模型与观测的残差(右)。

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