恒星原行星盘的早期化学作用塑造了宜人的气氛

检查原行星盘的目的之一是了解复杂分子在进化过程中如何形成和改变。

一项新的研究表明，恒星原行星盘的化学性质可能会影响后来的行星大气成分。

诞生于一堆瓦斯和瓦砾中，行星最终聚集在一起，因为越来越多的灰尘和岩石粘在一起。它们距我们可能只有数百光年，但天文学家仍然可以观察这些行星的形成。

一个主要的兴趣点是形成行星系统（称为原行星盘）之前在恒星周围形成的瓦砾的化学性质。

盘中漂浮的气体分子最终可能成为行星大气的一部分。如果这些分子包含氧或氮，则有利于生命的行星形成的几率会增加。

荷兰莱顿天文台的天文学家凯瑟琳·沃尔什（Catherine Walsh）说：“考虑（这些盘的分子组成）非常有趣。”“这些圆盘中的分子将构成行星大气中的分子以及诸如彗星之类的小行星。”

沃尔什（Walsh）领导了一项新研究“原行星盘中的复杂有机分子”，该研究于2014年2月发表在《天文学和天体物理学》杂志上。在这项研究中，天文学家对原行星系统中复杂分子的形成方式进行了建模，以期更好地了解他们的观测结果。

寻求高清观察

原行星盘中的分子以毫米和亚毫米级的光频率发射光，该频率在射电望远镜和红外望远镜的观测范围之间。然而，直到最近，很少有观测站致力于这种特殊的光带，并具有观察复杂分子的必要能力。

沃尔什说：“迄今为止，已经完成了很多工作，主要是使用单碟亚毫米望远镜。”

尽管任何观察都是有帮助的，但单盘现象意味着天文学家无法获得他们看到更复杂的分子所需要的高空间分辨率和灵敏度。但是，在2013年，智利的阿塔卡马大型毫米波阵列（ALMA）首次亮起时，情况发生了变化。

该天文台-被描述为目前存在的最大的天文项目-最终将包括位于5,000米高度的66根天线，这将使它超过阻止毫米波到达地面的大部分大气层。

沃尔什说：“这确实是分子天体物理学的下一件大事，ALMA将使我们的灵敏度提高几个数量级。”

尽管她的团队已经提交了使用巨型阵列检查分子的建议，但是望远镜的普及（带来了许多竞争性建议）意味着她不确定它们是否会成功。

如果他们确实设法抽出时间，天文学家将不得不迅速工作以公布其结果。

“一大好处是，所有的ALMA数据将在一年后公开提供。我们最终将拥有这个巨大的存档。任何人都可以访问数据并使用该数据发布科学。” Walsh说。

智利的Atacama大毫米/亚毫米阵列（ALMA）旨在搜索天文现象，例如原行星盘中的复杂分子。

首先去哪里看？

复杂分子被认为是益生元化学或引起生命所需条件的化学的“前体”。

益生元化学的一个著名例子发生在1952年，当时科学家Stanley Miller和Harold C. Urey将甲烷，氢气，氨气和水蒸气的气体形式放入密封的容器中，然后用电将其撞击（类似于闪电） 。经过一周的处理后，容器的壁中含有有机污泥，其中包括当今生活中使用的几种氨基酸。

沃尔什说，问题是原行星盘中存在哪些复杂分子，ALMA能够看到它们吗？复杂分子不仅是生命的潜在前体，而且据信在其中形成的冰还充当尘埃粒子凝聚在一起并形成行星的凝结剂。

她的团队的论文对T Tauri型恒星周围的环境进行了建模，即年轻恒星在变成像我们自己的太阳之类的恒星之前经历的阶段。与年长的恒星不同，当恒星从周围的圆盘中吸取物质时，这些物体发出的光来自重力收缩。

沃尔什（Walsh）的小组使用计算结果生成了光盘的模型，重点是温度，密度，结构和紫外线强度。然后，他们使用该模型来计算化学反应。掌握了这些信息后，他们进行了另一组计算，以预测ALMA将能够看到的内容。

分子在远处可见，因为它们的旋转会产生独特的光谱或从地球上可以看到的线发射。该模型预测了其中有四个原子的甲醛分子，这是一件好事，因为该结果证实了原行星盘先前观测到的结果。但是，天文学家想找到一种更复杂的分子，例如甲醇，一种甲烷的衍生物，在地球上是细菌自然产生的。在太空中，甲醇的形成略有不同：它是一氧化碳的衍生物。

尚未在原行星盘中看到甲醇。分子越复杂，其光谱在望远镜中出现的亮度就越小，因此很难发现。但是，沃尔什说，她仍然确定ALMA望远镜能够完成发现甲醇这一“复杂阶梯上的第一梯级”的任务，并且可以导致发现包含氧和氮的更复杂分子。

如果发现甲醇，则下一步将是查看甲醇的产生位置并研究其形成方式。极有可能在尘埃颗粒表面形成该分子，因为由于空间中的气体密度低，复杂分子被认为具有无效的气相形成途径。

下一步的研究是在原行星盘中找到甘氨酸-最简单的氨基酸和蛋白质的构建基块。沃尔什（Walsh）将甘氨酸描述为研究的“圣杯”，并指出其“益生元的意义”是生命的组成部分之一。但是ALMA可以检测到甘氨酸吗？

她说：“我喜欢在谨慎方面犯错误。”“这可能超出了望远镜的功能。”

但话又说回来，很难预测将来会使用哪种技术。

一种可能性是平方公里阵列，这是一套在澳大利亚和南非都在建设中的射电望远镜，之所以命名，是因为收集区域的大小约为平方公里（0.4英里）。望远镜的建造计划于2018年开始，并于2020年代中期完成。

该阵列将拾取一组具有比ALMA更长的波长和更低的频率的复杂分子。

她补充说：“我们可能会看到更多的益生元分子，例如平方公里阵列。”

沃尔什说，对这些复杂分子的更多了解还将使我们了解行星形成过程中可用的成分，这将帮助天文学家了解地球以及太阳系其他行星的分子组成。

她说：“我们现在已经看到了成千上万的系外行星，我们知道行星的形成无处不在。”“我们现在知道，宇宙中的行星比恒星还要多，而且有很多恒星（需要研究）。在（研究）这个（原行星）阶段，有很多事情要做。”

出版物：Catherine Walsh等人，“原行星盘中的复杂有机分子”，A＆A，第563卷，2014年； DOI：10.1051/0004-6361/201322446

研究报告的PDF副本：原行星盘中的复杂有机分子

图片：NASA / FUSE / Lynette Cook；阿尔玛（ESO / NAOJ / NRAO）/ B。塔夫雷西（twanight.org）