對現有數據的新分析表明，質量與木星相當的系外行星的形成時間可能比之前認為的要早得多。這項研究由俄亥俄州立大學的研究人員開展，為吸積時間提供了新的見解。吸積是形成中的行星聚集大量氣體和固體顆粒（特別是富含碳和氧的顆粒）的過程，從而成長為像木星這樣的氣態巨行星。

行星起源於原行星盤，即圍繞年輕恆星旋轉的塵埃和氣體雲。研究表明，吸積可能發生在行星盤演化的最早階段，此時這些行星盤仍然很年輕，含有豐富的物質，這挑戰了先前關於行星形成時間的假設。

雖然新確認的系外行星數量不斷增加，但這些行星的起源以及影響其形成的因素仍然是科學家試圖解決的難題。例如，類似木星的系外行星最初被認為需要近300 萬至500 萬年才能完全形成；最近的觀察結果表明，對於像木星這樣的氣態巨行星來說，這個過程可能更接近100 萬至200 萬年。

這項研究的作者、俄亥俄州立大學天文學助理教授王吉表示，這項發現挑戰了研究人員關於這些行星在原行星盤的「年齡」形成的現有理論。這結果可能會讓科學家重新評估和修改他們關於太陽系和其他行星形成的理論。

「我們對系外行星的了解都可以放在太陽系的背景下，反之亦然，」王說。 「通常行星的形成是一個自下而上的過程，這意味著它從小物體開始，逐漸形成更大的行星，但這種方式需要時間。”

雖然系外行星指的是運行軌道遠遠超出我們太陽系範圍的行星物體，但更多地了解它們的形成方式可以幫助研究人員更深入地了解太陽系和早期地球的演化，早期地球的形成時間比木星晚得多，但仍然受到了木星的巨大影響。

這種「自下而上」的行星形成解釋被稱為“核心吸積理論”，但另一種可能的形成機制是行星通過引力不穩定性形成——當恆星周圍盤中的團塊質量過大而無法支撐自身並坍縮形成行星時。王說，由於行星的吸積歷史可能與這兩種引人注目但又相互補充的演化形成機制密切相關，因此確定哪種過程更常見非常重要。

這項研究最近發表在《天文物理學期刊》。

該研究分析了七顆氣態巨行星的樣本，這些行星的恆星和行星化學特性已在先前的研究中進行直接測量，並將它們與我們太陽系中的氣態巨行星木星和土星的數據進行了比較。

王表示，這些系外行星的早期形成與最近的證據表明木星的形成時間比之前認為的要早得多相符。這項發現是基於這些系外行星吸積的固體數量驚人。

行星形成初期吸積的所有物質都會增加其大氣的金屬豐度，透過觀察它們留下的痕跡，研究人員能夠測量行星曾經聚集的固體量。金屬豐度越高，科學家就可以假設在形成過程中吸積的固體和金屬就越多——週期表中任何比氫和氦更重的東西。

「我們可以推斷，平均而言，所採樣的五顆行星中的每一顆都吸積了相當於50 個地球質量的固體，」他說。 “只有在200 萬年以內的系統中才能發現如此大量的固體，但在我們的太陽系中，可用的固體總量僅為30 到50 個地球質量。”

這些新數據意味著，用於形成系外行星的構造塊在原行星盤演化的早期階段就已經存在，比預期的要早，而且這些構造塊的可用性在數百萬年的時間里大大降低。王說，由於科學家通常不指望找到行星形成如此早期的證據，因此這項發現很可能難以用目前的理論來解釋。

「這些系外行星形成的時間非常早，因此仍然有大量的金屬資源，」王說。 “這是科學界尚未做好充分準備的事情，所以現在他們必須努力提出新的理論來解釋它。”

由於氣態巨行星在吸積過程中會吸入大量物質，它們的形成和在太空中的遷移也會影響原行星盤其他地方岩石行星的發展。在太陽系中，這種現像被認為會導致木星和土星將水星推離其原始軌道，並導致火星變得比地球或金星小得多。

儘管如此，為了幫助天文學家在未來進行類似的行星形成分析，這項工作還提供了一個統計框架，用於推斷任何其他系外行星的固體吸積總質量，研究指出，這也可以成為研究其他類型複雜元素數據的理想工具。

雖然這項研究純粹依賴檔案數據，但王希望他的工作能夠透過更好的儀器收集的新高解析度數據進一步補充，例如更強大的地面天文觀測站或詹姆斯韋伯太空望遠鏡等下一代技術。

王說：“通過擴大這項研究的範圍，研究更多的系外行星，我們希望看到本文發現的證據趨勢能夠繼續保持下去。”

編譯自/ ScitechDaily