巨行星的另類起源:觀測到形成中的遙遠類木行星

像木星這種巨大的氣態行星,是怎麼形成的呢?

在傳統教科書中我們學到的是,這些類木行星往往源自一個岩石或冰組成的核心,當核心的質量不斷累積,漸漸的這些核心就有足夠的重力能抓住原行星盤(protoplanetary disk)中的氣體,最終形成氣體巨行星。這樣的過程,被稱為「核心吸積模型 core-accretion model」,是最主流、最廣為接受的類木行星形成理論。

但隨著近年來觀測技術的進展,天文學家發現越來越多質量非常巨大(木星的好幾倍以上)、而且距離其母恆星非常遙遠(軌道半徑高達數十乃至數百天文單位)的系外類木行星。這些類木行星的起源,很難用傳統的核心吸積模型來解釋。因為在如此遙遠的距離,想要形成足夠質量的岩石/冰質核心是非常困難的。沒有核心,就沒辦法吸積氣體,行星就無法形成。

那麼,這些又遠又大的行星到底是怎麼來的呢?天文學家推測,如果原行星盤上的氣體足夠多,在適當的條件下(比如原行星盤出現局部的高密度區域),重力可以直接讓氣體快速地聚集、塌縮,形成類木行星。這個想法被稱為「原行星盤不穩定模型 disk instability model」,多年來被視為最可能解釋這些遙遠系外行星起源的候選理論。但時至今日,支持這個理論的觀測證據仍十分稀少。

最近(2022 年 4 月),一組天文學家在《自然天文學》發表論文,宣布他們利用昴望遠鏡(Subaru telescope)與哈伯太空望遠鏡觀測了御夫座 AB(AB Aurigae)這顆恆星,並發現這顆恆星壯麗的原行星盤結構之中,藏有一顆不尋常的亮點。

御夫座 AB 在天空中的位置,以及它複雜的旋臂結構。

團隊用哈伯太空望遠鏡拍攝的影像。Credit: NASA, ESA, Thayne Currie, Thayne Currie, Alyssa Pagan

經過縝密的分析,天文學家判斷這個亮點應該就是一顆正在形成中的類木行星,被命名為「AB Aur b」,而且藉由比較不同年份、不同望遠鏡、不同波段拍攝的影像,天文學家計算出它的跟母恆星的距離約是 92 天文單位,質量約是木星的 10 倍左右。這樣遙遠、龐大且正在形成的行星,很可能正是由重力讓氣體直接塌縮所形成。因此這個發現,就像給原行星盤不穩定模型打了一劑強心針。同時也告訴其他天文學家們,AB Aur b 是個研究原行星盤不穩定模型的絕佳目標,快把更多的望遠鏡指向這裡吧!