一场行星大碰撞留下的蛛丝马迹

艺术家创作的HD172555星系在远古时代发生的碰撞图画。20万年前，一颗小行星撞击上一颗地球大小的行星。这个行星在撞击中失去了自己的大气层，这也给风暴一击的赋予了新的含义。 图片由马克.A.盖里克/麻省理工新闻提供。

早期的太阳系是一个充满暴力和混乱之地——大大小小的岩石相互碰撞。而正是由于这些碰撞诞生了今天的行星和它们的卫星。2021年10月20日，天文学家宣布他们发现了很久以前一颗年轻系外行星如何在大碰撞中失去大气层的证据。

2021年10月20日麻省理工学院、爱尔兰戈尔韦国立大学、剑桥大学和其他机构发表了上述发现，《自然》杂志对此进行了同行评议。

系外行星如何失去大气层？

显然行星本身不能提供任何证据。但是环绕着恒星HD172555的星尘和气体带却包含着重要信息。这些环绕恒星的环或者盘被称为环星盘。这颗恒星距离地球95光年，年龄估计为2300万年，还处于恒星的婴儿期。

这些星尘和气体揭示了一场大规模碰撞的蛛丝马迹，科学家估计这场大规模碰撞发生在20万年前。根据科学家分析，这场大碰撞中有一颗还在成长的地球大小原行星“胚胎”被一颗稍小的行星撞击。

研究者估计撞击速度超过2.2万英里/小时（约为10公里/秒），碰撞中这颗原行星的大气被剥离了一大部分。

碰撞的岩石和巨大的行星在恒星周围的尘埃盘上投下了阴影。恒星周围的碎片星盘或称为环星盘的艺术插图。行星和卫星在这些盘中的反复撞击中诞生或被摧毁。这与HD172555星系中发生的类似。图片来至于美国航天局喷气实验室/加利福利亚理工学院喷气推进实验室。

主要作者之一，来至麻省理工地球大气行星科学部的塔拉纳基.施耐得曼说：“这是我们第一次发现这种现象——撞击剥离原行星的大气层。每个人都期望能够观察到大碰撞，因为我们认为这是很常见的现象，但是我们在大量观察过的星系中并没有发现证据。现在我们对这个过程有了新的视角。

不寻常的矿物和一氧化碳

研究人员在研究恒星周围的尘埃和气体物质时发现了一些异常，比如：尘埃颗粒中含有大量的不寻常的矿物。而且这些尘埃颗粒比年轻恒星典型环星盘中的颗粒要小很多。施耐得曼说：“正是这两个因素导致HD172555看起来有些奇怪”。

但这并不是全部，研究人员使用位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵列（ALMA）分析了恒星周围的气体。与预期的一样，研究人员发现了一氧化碳，其中的一些数据让人惊奇。这种气体太靠近恒星了，只有10个天文单位即地球到太阳距离的10倍。总的来说，这里的一氧化碳含量大约是金星的20%（远远高于正常情况）。

来自麻省理工的塔拉纳基.施耐得曼领导了这个发现HD172555大碰撞证据的新研究。麻省理工/地球大气星系部供图

一氧化碳的光解离

因此一氧化碳为什么距离恒星这么近？以及为什么说距离如此之近不同寻常呢？

正如施耐得曼所说：“距离恒星如此之近存在这么高含量的一氧化碳需要一些解释，在此之前需要了解光解离这个概念，即在光子具有破坏化学键的能力。恒星发出的光子可以破坏一氧化碳的化学键而导致一氧化碳发生解离。（补充：一氧化碳吸收宇宙空间中的真空紫外辐射以后会解离生成碳原子和氧原子；碎片原子会进一步和宇宙中的氢气分子反应生成碳氢化合物和水。）因此，在距离HD172555如此近的距离上发现如此多的一氧化碳很不寻常，一般来说，即使在这个距离发现一氧化碳，含量也应较低。”

可能的推测

研究人员为谜一样的尘埃和一氧化碳做了多种推测。

推测一：这些气体来治愈一个新生恒星的碎片。

推测二：气体来自于系外的过于靠经恒星的冰冻小行星。

推测三：类似柯伊伯带的外小行星带的冰彗星在靠近恒星时留下的。

但是经过数据分析，上述三个推测均与观测数据不符。

因此这些一氧化碳是从何而来？当研究人员考虑大碰撞这种可能性时，这种推测完美的契合了现有的各项数据。

施耐得曼解释到：这些推测中，只有大碰撞才能完美的符合各项观测数据。在这个年龄阶段的恒星系中，我们认为会存在大碰撞，而且这些大碰撞很常见。要满足观测到的尘埃和气体的形态、成分，以及星系年龄和时间刻度多方面因素，只有行星大碰撞才可能出现如此大量的一氧化碳。

从天文学上来说，20万年只是弹指一挥间，恒星还没有完全将碰撞产生的一氧化碳完全光解离。现在我们所看到的气体就是当时大碰撞所留下的。

HD172555恒星，在数字巡天计划2（DSS2）中拍摄的照片。多米尼克.福特/ In-The-Sky.org

关于其他碰撞的研究

现在科学家们十分肯定HD172555恒星周围的尘埃和一氧化碳和一场行星大碰撞有关，这也将为识别其他碰撞提供一个新的思路。

施耐得曼介绍到，未来在其他星系也可以利用本次研究的成果，如果在特定位置发现了形态与大碰撞后一致的一氧化碳，那么这就有可能是一次行星大碰撞的遗迹。这为寻找大碰撞和分析碰撞后碎片行为提供了一条新途径。

加州大学洛杉矶分校的希尔克.施利希廷补充道：

这项工作最让人激动的是，研究揭示了行星大气层可能在碰撞中被剥离。这为研究系外行星在大碰撞后的大气成分提供了一条新的途径，最终将帮助我们了解其他类地行星在大碰撞阶段的大气情况。

总结:大约20万年前，一颗年轻的地球大小的系外行星在一次巨大的撞击中失去了大气层，在残留的尘埃和一氧化碳气体中留下了线索。

BY: Paul Scott Anderson

FY: 大卫高怕飞

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