宇宙中，没有两种“汤”是一样的

在这张艺术构想图中，行星是由围绕一颗年轻恒星的原行星盘中的气体和尘埃形成的。这种气体由许多不同的分子组成，包括氰化氢和更复杂的腈。盘中特定位置的分子汤塑造了在那里形成的行星的未来。图片来源：M.WEISS/哈佛和史密森尼天体物理学中心

今日视点

9月15日在预印本平台arXiv中发表的20篇系列论文表明，天文学家已经非常详细地绘制了行星“托儿所”内的化学物质。

新公布的图集揭示了五个原行星盘（行星在年轻恒星周围形成尘埃和气体的区域）内数十种分子的位置。

生命存在或更广泛

领导图集制作项目的哈佛—史密森尼天体物理学中心天文学家凯琳·奥伯格表示，这些行星形成盘中充满了有机分子，其中一些与地球上生命的起源有关。“这真的很令人兴奋。每个盘中的化学物质将最终影响形成的行星类型，并决定行星是否可以承载生命。”

研究结果表明，导致地球上生命存在的基本化学条件可能会更广泛地存在于整个银河系中。在环绕新形成的恒星的原行星盘中发现了大的有机分子，而一个类似的盘曾经围绕着年轻的太阳，形成了现在构成我们太阳系的行星。

这些分子的存在意义重大，因为它们是更简单的碳基分子（如太空中大量发现的一氧化碳）与创造和维持生命所需的更复杂分子之间的“垫脚石”。

行星在不同的“汤”中形成

新的圆盘图显示，原行星盘中的化学物质在每个盘中的分布并不均匀。相反，每个盘都充满不同的行星形成“汤”（分子混合物或行星成分）。结果表明，行星的形成发生在不同的化学环境中，并且在它们形成时，每个行星可能会根据其在盘中的位置而暴露于截然不同的分子中。

系列论文之一的主要作者奥伯格说：“我们的图集揭示了行星在盘中形成的位置非常重要。盘中的许多化学物质都是有机物，这些有机物在特定盘内的分布变化很大。两颗行星可以围绕同一颗恒星形成，它们的有机物含量非常不同，因此很有可能存在生命。”

另一篇论文则绘制了18种分子（包括氰化氢和其他与生命起源有关的腈）在五个盘中的具体位置。这些图像是研究人员在2018年和2019年使用智利阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列望远镜（ALMA）拍摄的。收集的数据高达100TB字节，研究人员花了两年时间来分析，并将其分解成每个分子的单独图示。

每个盘的最终图示表明，即使在单个盘中发生的化学反应也比人们想象的要复杂得多。研究人员解释说：“每个单独盘看起来都与下一个大不相同，都有自己独特的化学子结构集。在这些盘中形成的行星将经历非常不同的化学环境。”

重要的是，这些有机分子所在的盘区域也是小行星和彗星形成的地方。在这些盘中也可能发生类似于在地球上启动生命的过程——小行星和彗星的轰击将大有机分子转移到新形成的行星上。

研究人员表示：“这项工作的主要结果表明，在我们的星球上孕育生命所需的相同成分也存在于其他恒星周围。在行星上启动生命所需的分子可能很容易在所有行星形成环境中发现。”

寻找未来的行星新生儿

新研究项目不仅仅为天文学家提供研究圆盘化学环境的机会。奥伯格说：“我们的团队使用这些图集来展示一些正在形成的行星位于盘内的位置，这使科学家能够将观察到的化学汤与特定行星的未来成分联系起来。”

研究人员正使用收集的数据和图集来寻找新生行星。天文学家确信行星是在原行星盘中形成的，但有一个问题：他们无法直接看到它们。密集的气体和尘埃将持续约300万年，掩蔽了年轻的、正在发育的行星。

研究人员表示：“这就像在看一条水下的鱼。我们知道它们在那里，但我们无法看见深处的鱼。我们必须在水面上寻找细微的迹象，比如涟漪和波浪。”

在原行星盘中，气体和尘埃自然地围绕中心恒星旋转。天文学家可以测量的移动物质的速度应该在整个盘上保持一致。但如果一颗行星潜伏在表面之下，研究人员认为它会轻微扰乱围绕它移动的气体，形成速度的微小偏差，导致螺旋状气体以意想不到的方式移动。

使用这种策略，研究人员分析了五个原行星盘中的两个——围绕年轻恒星HD 163296和MWC 480的气体速度。盘中某些部分的速度出现小波动，揭示了每个盘中都嵌有一颗年轻的类似木星的行星。

研究人员说，随着行星的生长，它们最终会“在盘结构中形成开放的缺口”，以便人们可以看到它们，但这个过程将需要数千年的时间。研究人员希望比即将发射的詹姆斯韦伯太空望远镜领先一步确认这些发现，并在未来通过研究更多的原行星盘来证实这一结果。