宇宙中為何出現“流浪”的神秘天體？天文學家最新找到答案

中新網北京2月27日電 (記者 孫自法 鄭瑩瑩)在天文學界，有一類2000年才被首次探測到、近5年內觀測樣本陡增的神秘天體——流浪行星質量天體(Planetary Mass objects, PMOs)，其究竟是如何形成的問題備受關注。

中國科學院上海天文臺鄧洪平研究員領導的國際合作科研團隊，最新研究發現形成流浪行星質量天體的全新機制，他們認為，質量介于恒星與行星之間的流浪行星質量天體，既非傳統恒星形成過程的產物，也非被驅逐的巨行星，而是通過年輕恒星的星周盤發生潮汐相互作用直接形成。

這項對于理解星團對行星形成的影響、探索恒星形成和行星形成的邊界有重要意義的天文學研究，由中國科學院上海天文臺聯合香港大學和美國加州大學圣克魯茲分校、瑞士蘇黎世大學等中外研究機構的合作伙伴共同完成，相關成果論文北京時間2月27日凌晨在國際學術期刊《科學進展》(Science Advances)發表。

現有兩種理論無法釋疑

鄧洪平研究員介紹說，流浪行星質量天體的質量通常低于氘燃燒極限(約13倍木星質量)，接近巨行星，卻不被任何恒星所束縛，美國詹姆斯·韋布空間望遠鏡(JWST)已觀測證實該神秘天體廣泛存在于年輕星團中。

過去20多年，天文學家們認為流浪行星質量天體可能是分子云坍縮形成的極低質量恒星，或是從母恒星系統中被拋射出來的巨行星。然而，這兩種理論均無法解釋流浪行星質量天體的豐度之多、多體系統(如雙星或三星)之繁，以及其與恒星運動特征之間的一致性。例如，獵戶座大星云中的“四合星”(Trapezium)星團內，流浪行星質量天體的數量遠超傳統恒星質量函數的預測，且約9%的流浪行星質量天體以多體系統形式存在，這與極低質量恒星系統的特性截然不同。

另一方面，很多流浪行星質量天體周圍存在延展的氣體盤，半徑可達100倍日地距離(天文單位，AU)。這預示著流浪行星質量天體與恒星同時形成于星云氣體耗散之前，且未曾被恒星束縛，否則流浪行星質量天體氣體盤的大小將被恒星引力嚴重限制，因此，流浪行星質量天體也不是被主星拋射出來的巨行星。

星周盤相遇“潮汐橋”

鄧洪平指出，流浪行星質量天體難以被現有的恒星或行星形成理論解釋，促使研究團隊提出早期星周盤相互作用形成流浪行星質量天體的全新理論。他們通過高精度流體動力學模擬發現，當兩顆年輕恒星的星周盤以特定角度和速度近距離相遇時，潮汐力會拉伸并形成細長的“潮汐橋”。這些橋狀結構在引力作用下進一步收縮為致密的線狀分子云，最終斷裂并坍縮成獨立的流浪行星質量天體。

實驗模擬顯示，這一過程在密集星團(如“四合星”星團)中的產生效率極高。當星周盤以每秒2—3公里的速度、300—400天文單位的距離擦肩而過時，“潮汐橋”的線密度超過穩定性的臨界值，可同時產生多個流浪行星質量天體，甚至形成緊密的雙星或三星系統。

在致密的“四合星”星團中，恒星相遇頻繁，且恒星速度彌散恰好在每秒2—3公里之間，因此形成流浪行星質量天體的“搖籃”，孕育了目前觀測到的最大流浪行星質量天體群。而在恒星運動速度彌散很小的IC348星團中流浪行星質量天體很稀有。此外，這些形成的流浪行星質量天體周圍還保留了延展的氣體盤，也與觀測結果高度吻合，進一步驗證本次研究提出的星周盤發生潮汐相互作用直接形成流浪行星質量天體理論的可靠性。

可能代表一類全新天體

研究團隊認為，本次研究提出形成流浪行星質量天體的全新機制，不僅能解釋流浪行星質量天體的豐度和性質，還暗示它們可能代表了一類全新的天體，從而為理解宇宙中流浪行星的形成機制提供了新的思路。

“流浪行星質量天體或許構成了宇宙中既非恒星、也非行星的一類天體，將幫助我們理解恒星形成和行星形成的邊界。”鄧洪平說。

目前，流浪行星質量天體的觀測樣本正在迅速增長。研究團隊透露，中國科學院上海天文臺領導的系外地球巡天計劃能通過微引力透鏡法高效地搜尋流浪行星，針對不同星團中流浪行星質量天體發生率和性質的研究，將進一步揭示他們發現的全新機制在宇宙中的普適性。(完)