天文学家发现行星系统诞生时发生了巨大的化学变化

朝着原恒星旋转的流入气体的插图。在前腹膜圆盘的外边缘（蓝色），增加了硫代单氧嘧啶的丰度。

天文学家已经发现，在下降的包层和年轻的原恒星L1527周围的气盘之间的过渡带中发生了意外的化学变化。

国际研究小组使用ALMA在金牛座分子云中以高空间分辨率观察到了年轻的原恒星L1527，并发现了下降的包膜和气盘之间的过渡带中发生了意外的化学变化。到目前为止，人们已经认为，星际物质可以顺利地传递到原恒星周围的气体盘中，而不会发生任何明显的化学变化。但是，现在发现它过于简单。下落的气体由于离心力在气盘的外缘被堵塞，在那里局部加热会引起剧烈的化学变化。这种化学变化突出了仍在增长的气盘的外边缘。

这项研究突出了“原行星盘形成过程中的化学作用”，这是以前没有预料到的。尚不清楚在许多原恒星附近是否能看到这种急剧的转变，未来的观察研究将发现这一转变。这对于理解我们自己的太阳系的形成过程也很重要。

恒星是由星际气体和尘埃的收缩形成的。在原恒星周围，气体和尘埃形成了一个圆盘，最终形成了行星。那么，星际云和磁盘的化学组成是否相同？ALMA的新观测结果表明答案是“否”。这一发现对理解行星和原行星盘的形成过程有很大的影响。

由东京大学物理系助理教授。井奈美博士领导的国际研究小组在ALMA的观测下，在金牛座星座中发现了一颗小恒星L1527。该小组观察到了来自环状C3H2和一氧化硫（SO）分子的无线电发射，分析了婴儿恒星周围气体的运动和温度。

L1527是著名的原恒星（婴儿恒星），许多天文学家都将望远镜对准了它。例如，NASA的Spitzer太空望远镜拍摄了这颗恒星的红外图像。恒星光通过一个恒星逸出的空腔逸出，该空腔由恒星发出的强大的双极气体流照射并照亮了周围的气体，这使得蝴蝶状星云在东西方向上延伸（图1）。过去的无线电观测表明，气体在恒星周围盘旋以形成圆盘，我们看到圆盘在边缘。

图1。Spitzer太空望远镜拍摄的原恒星L1527的红外图像。

ALMA的无线电观测的优点是能够直接看到在红外光下不可见的气体。气体中的各种分子在特征条件（温度，密度，化学成分）下以无线电波的形式发射特征辐射。因此，天文学家可以通过观察各种分子来研究气体的性质。天文学家还用多普勒效应测量气体的运动。ALMA前所未有的灵敏度使我们能够检测到其他望远镜无法检测到的微弱的无线电辐射。实际上，由于它们的丰度低，环状C3H2和SO的排放要弱于例如早期研究中在L1527附近详细观察到的CO排放。

用ALMA观测到的C3H2循环表明，气体形成了半径为500 AU的圆盘（1 AU对应于太阳与地球之间的距离。太阳到海王星的距离是30 AU）围绕原恒星盘旋。超过100 AU时，随着气体围绕原恒星旋转，它也向恒星坠入。在100 AU内，环状C3H2的发射非常微弱，这表明内盘和外盘之间存在化学差异。研究小组根据排放强度估算出气体温度在-240至-250摄氏度之间。另一方面，SO具有完全不同的分布：半径为100 AU的环状结构。SO分子的温度估计为-210摄氏度，明显高于环状C3H2的温度。

图2。Spitzer观察到的L1527（左），ALMA观察到的是环状C3H2（中心）和SO的分布（右）。ALMA揭示了与原恒星接近的气体分布。环状C3H2向原恒星的排放微弱，而在北部和南部则强烈。同时，SO的发射峰接近原恒星。

是什么导致恒星在100 AU处发生剧烈的化学成分变化？简单的模拟表明，由于离心力抑制了流入的气体并堆积。该边界称为“离心屏障”。流入的气体与障碍物碰撞并被加热。冻结在冷尘埃颗粒表面上的SO分子释放为气相。势垒内部的温度降低，SO分子再次冻结。这是在100 AU下SO环的形成过程。

旋转运动在离心屏障内部占主导地位。因此，屏障是磁盘形成区域的边缘，最终将在其中形成行星系统。几乎没有考虑过星际云和原行星盘之间的化学差异。这是原行星盘形成过程中化学成分发生巨大变化的第一个证据。

这项研究突出了“原行星盘形成过程中的化学作用”，这是以前没有预料到的。尚不清楚在许多原恒星附近是否能看到这种急剧的转变，未来的观察研究将不会发现这种转变。这对于理解我们自己的太阳系的形成过程也很重要。

出版物：Nami Sakai等，“在原恒星周围形成盘状的流入气体的化学成分变化”，《自然》，2014年； doi：10.1038 / nature13000

图片：东京大学； J.Tobin / NASA / JPL-Caltech； J.Tobin / NASA / JPL-Caltech，N。酒井/东京大学