研究結果顯示,原行星盤——即圍繞新生恆星、日後孕育行星的氣體和塵埃盤——會按一個具階段性的次序失去氣體:早期是強勁、由磁場驅動的分子風和原子流出佔主導;後期磁噴流轉弱,恆星的X射線和紫外線便能加熱盤面,推動較溫和、主要由原子組成的光蒸發風,清走剩餘氣體。這形成一個短暫的「原行星盤倒數時間」,氣態巨行星必須在這段時間內吸積足夠的氫氦包層。
2
3
72個原行星盤觀察到甚麼?
研究團隊利用詹姆斯・韋伯太空望遠鏡(JWST)的中紅外儀器MIRI,分析72個大多屬於Class II、而且以較大傾角觀測的原行星盤。當中66個系統偵測到有空間延伸的分子氫(H₂)及電離氖([Ne II])發射;研究人員在46個盤辨認出錐形H₂風,在40個盤辨認出高速[Ne II]噴流。
3
較年輕而且仍然有大量物質跌入恆星的系統,通常同時呈現兩種特徵:範圍較闊的H₂分子風,以及高速、較為集中成束的氖噴流。這種組合符合磁流體力學流出模型,即氣體沿着磁場結構被加速,離開原行星盤。
3
5
兩種示蹤物反映的氣體區域亦有分別:H₂主要追蹤較闊、較慢的分子風,而氖在早期較常追蹤快速噴流。其他JWST觀察同樣發現,狹窄而高速的噴流會嵌套在較闊、速度較低的H₂流出結構之內。
7
隨恆星變老,風和噴流如何轉變?
當恆星吸積率下降,高速[Ne II]噴流和H₂分子風的偵測率亦會減少;在H₂之中,溫度較高的成分更快變得微弱,較冷的成分則相對持久。低吸積率的原行星盤,較常見的是速度較慢、低速的[Ne II]流出和其他原子風。
3
這反映一個由磁驅動流出轉向光蒸發的演化過程:
- 早期:磁場主導。 新生恆星吸積活躍,磁場把氣體沿磁力線導出,形成高速噴流及廣闊的分子、原子風。
- 中期:流出逐步減弱。 隨着盤內物質減少,吸積下降,高速噴流和分子風亦變得不常見。
- 後期:輻射清盤。 盤變得稀薄後,恆星的X射線和紫外線較容易照到盤面,加熱氣體,令原子氣體逃離系統;這個過程稱為光蒸發。
2
3
點解會影響巨行星形成?
像木星一樣的氣態巨行星,需要在原行星盤仍然擁有大量氣體時,吸積由氫和氦組成的大氣層。當磁噴流、分子風,以及後來的光蒸發逐步抽走氣體,盤內可供吸積的儲備便會消失;即使已經形成岩石核心,亦未必再有足夠氣體長成氣態巨行星。
2
因此,核心幾時形成十分關鍵:如果核心夠早變得龐大,便可能觸發快速氣體吸積,成為巨行星;如果類似的核心太遲才完成,遇上的可能已是一個氣體大幅耗盡、甚至幾乎沒有氣體的原行星盤,最終只會成為較小的行星,保留很少原始大氣。要留意,這是根據觀察到的原行星盤演化次序作出的推論,並不是直接觀察到行星由一種類型變成另一種類型。
2
3
對現時約有45億至46億年歷史的太陽系來說,結果暗示年輕太陽很可能同樣經歷過早期的磁風階段,之後再進入由光蒸發清盤的階段。換句話說,木星必須在太陽系誕生後最初幾百萬年內,趁太陽星雲的氣體尚未被大量帶走之前,建立起今日所見的厚重大氣包層。
2
目前仍未知道的問題
今次調查清楚展示了不同流出結構的出現率和形態如何隨系統演化,但尚未完整量度每一種風和噴流實際帶走多少質量。後續研究仍需以具速度分辨率和空間分辨率的觀測,追蹤分子及原子示蹤物,從而確定:
- 每個噴流或風實際帶走多少質量;
- 原行星盤的哪些半徑和垂直層次供應這些流出;
- 各種風的溫度、速度,以及它們怎樣隨時間演變;
- 清走盤內氣體、結束巨行星形成窗口的實際時間尺度。
3
4
以目前提供的資料,仍不足以提出一個適用於所有系統的精確清盤期限,亦不足以為每一種風的質量流失率提供統一的定量數字。