最新研究揭晓了,在岩石行星与它们的恒星之间存在着复杂的化学连结

在我们早期的太阳系中,一个巨大的尘土、岩石以及气体的原行星盘(protoplanetary disk)盘旋在新形成的太阳周围。其中的一些材料最终透过重力连结在一起,形成了我们今日所知道的行星的青少年期。这包括我们的家-地球。

恒星大气中的元素

新发表于期刊《科学》(Science)的研究已帮助研究人员确认,与大型的气体行星,例如海王星与木星对比之下,类似于地球、及我们邻居的金星与火星的岩石行星(rocky planet)拥有与它们的恒星相似的重元素百分率。

一群研究人员从 32 颗低质量的太阳系外行星(exoplanet)中聚集了数据,这 32 颗系外行星绕着 27 颗与我们的太阳大小与光谱类型相似的恒星公转。藉由分析穿过恒星大气的光,天文学家可以量测出恒星的化学组成。透过光谱调查,会有间隙出现在光的频段(frequency band)中,指出哪一种元素存在于恒星当中。

研究的作者解释:”在主序星(main-sequence star)的大气中元素的丰富度会反应在它们整体成分上(除了最轻的元素以外),其范围在几个百分比之间。而陨石量测的结果显示,这对太阳而言是有效的。”

透过这个过程,对于目标的太阳系外行星的宿主恒星中重元素的比例,研究人员能够获得更精确的资料。他们在研究中写到:”我们分析了所选行星的 21 颗宿主恒星的光谱(HD 80653 并没有可用的光谱),并且测量了它们的大气化学组成。我们在宿主恒星中定出了大量的镁(Mg)、矽(Si)以及铁(Fe),这些都是形成岩石的主要元素。”

恒星与行星间的元素关联

天体物理学家理论上认为,在原行星盘中,像是 Fe 与 Mg 等较重元素的丰富度很有可能反映在锚定太阳系的恒星中,因为在形成阶段,可能有同一批材料亦存在着。这表示说,岩石行星以及它们的恒星在整体质量上,很有可能重元素的比率共享。但是这些比率究竟有多紧密相连,还没有很完整清楚。

研究作者们注记:”理论预测说,在行星形成的过程中,恒星与行星当中的 Fe/Si 与 Mg/Si 的丰富度比率会维持非常相近。因此,太阳这类恒星的大气中耐火元素(例如 Mg、Si 以及 Fe)的丰富度被认为代表了初始原行星盘的组成。”

藉由使用太阳系外行星的质量、半径以及行星内部的模型,研究人员计算出样本中每颗行星可能的铁质量比例。其中,他们同时考虑了铁只存在行星核(core)中的情况、以及可存在每颗行星的核与函(mantle)中的情况。接着,每颗行星的铁质量比例被拿来与原行星盘的铁质量比例做比较,而原行星盘的铁质量比例是由宿主恒星的组成推算出来的。

作者们发现,恒星以及绕着它们旋转的行星中铁的比例彼此相关联,但并非 1:1。这代表着,在原行星盘中元素分布的细微差异、以及与行星形成相关的过程,在决定岩石行星的最终化学组成上扮演了重要的角色。

未来方向

虽然在恒星与围绕它们的行星之间,于较重元素的丰富度上存在有稍微的差异,但是这个结果提供了佐证,让我们从例如 Fe、Mg、Si 等形成岩石的主要元素在恒星中的丰富程度,来推算岩石行星的化学组成,而这个在先前的其他研究中,也是这样假设的。

除此之外,来自新研究的结果亦注记说,超级地球(super-Earth)与超级水星(super-Mercury)等级的太阳系外行星似乎拥有不同的化学组成,这表示着在形成行星的过程中存在有差异。对未来的太阳系外行星研究来说,这些资料将会很方便。

作者:是柚子呀,如若转载,请注明出处:https://eozlab.com/zirankexue/tianwen/1651.html