
@Steed的围脖:大约45亿年前,一颗火星大小的天体忒伊亚(Theia)撞上了刚成形不久的地球。大量岩石当场汽化,被抛进太空,其中一部分后来重新聚拢,成了今天挂在天上的月亮。
这场撞击没有任何目击者。但银河系里的恒星有老有少,一些年轻的恒星系统此刻正在经历类似的剧烈碰撞。最近,一支天文学家团队用韦布空间望远镜(JWST)对准了这些系统,从它们周围的尘埃里读出了撞击的规模和猛烈程度。
一颗恒星在成长过程中,周围的环境会跟着变。刚出生时,它被一个富含气体的圆盘包围,行星就在这个盘里成形,天文学家叫它原行星盘。等恒星长大一些,气体基本散尽,只剩下稀薄的尘埃和碎块,这就是碎屑盘。
织女星和北落师门周围都有这样的碎屑盘。里面的尘埃离恒星很远,温度很低。
NASA已经退役的斯皮策空间望远镜在服役期间仔细研究过碎屑盘,发现其中有一小类格外反常。它们在离恒星很近的地方堆着大量温热的尘埃,位置相当于太阳系里水星、金星、地球、火星这几颗岩质行星运行的区域。这类盘被命名为极端碎屑盘。
这么多尘埃聚在这么近的地方,很可能是岩质天体相撞时崩出来的碎屑。换句话说,极端碎屑盘可能就是别的恒星身边正在上演的“忒伊亚撞地球”。
按照理论预测,这种盘应该很常见。实际观测下来,它们却少得可怜。根据现有数据估计,只有大约1%的年轻恒星能被看到处在这个阶段,太阳系形成时可能也是其中之一。
样本太少,过去的研究一直看不清全貌。美国科罗拉多州博尔德空间科学研究所的凯特·苏(Kate Su,音译)领衔的团队,这次凑出了21个极端碎屑盘:5个来自斯皮策的存档数据,16个来自韦布。成果发表在《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal)上。
凯特·苏说,这是他们第一次收集到足够多的系统,能真正理解这一类天体。在韦布之前,他们只知道这些盘很怪,和织女星那种典型的冷碎屑盘很不一样。
韦布和斯皮策拍下的是这些尘埃的中红外光谱。尘埃被恒星晒热后会发出红外光,把这些光按波长拆开,就得到光谱。不同矿物会在特定波长上留下各自的印记,像指纹一样,可以用来辨认尘埃的成分。
光谱显示,极端碎屑盘有3个共同特征。它们的尘埃颗粒比其他碎屑盘、原行星盘里的都要细。温热的尘埃特别密集。它们的亮度还会不规律地忽明忽暗。
为了弄清这些特征从何而来,团队进一步分析了尘埃的矿物组成。21个样本分成了两派,一派富含二氧化硅,另一派缺少二氧化硅。
在地球上,黑曜石这种火山玻璃就是富含二氧化硅的物质。缺少二氧化硅的矿物里有一种叫镁橄榄石,看上去是一粒粒绿色的沙子。
尘埃属于哪一派,透露出它来自什么样的撞击。
样本里大约1/3富含二氧化硅。这说明它们来自火星大小天体之间的高能撞击,撞击中相当一部分物质被汽化了,和忒伊亚撞地球是同一个级别。
剩下2/3缺少二氧化硅,对应的撞击规模要小得多,更像月球大小的天体之间互相擦碰。
无论哪一派,撞在一起的都是还在成长中的行星胚胎,也就是尚未成型的行星雏形。论文合作者、匈牙利布达佩斯康科伊天文台的阿格内丝·科斯帕尔(Agnes Kospal)说:“我们没有别的办法直接研究这些行星胚胎,因为它们太小了。”
两派在年龄上也分得很清楚。富含二氧化硅的盘,只出现在年龄不到3亿年的恒星周围。缺少二氧化硅的盘从年轻到年老都有,亮度变化往往也更剧烈。团队推测,这类盘经历了多次撞击,每次撞出的新鲜碎屑在轨道上快速演化、互相碰撞,盘的亮度就跟着起伏。
再回头看地球。模拟显示,地球这样的岩质行星应当在行星系统诞生后的头几亿年里形成。地球和月球大约在太阳诞生后1亿年成形,正好落在富含二氧化硅的盘出现的年龄段里。
太阳系也许不止经历过一次极端碎屑盘阶段。
如果那些年老、缺少二氧化硅的盘忽明忽暗,确实是因为整个行星系统的轨道不稳定,那就和太阳系的晚期重轰炸假说大体吻合。按照这个假说,太阳系里的气态巨行星曾经大幅挪动位置,引力搅乱了小天体的轨道,引发一连串灾难性碰撞,制造出短暂而尘埃弥漫的阶段,就像如今在极端碎屑盘里看到的那样。
这套解释还要经过检验。如果它成立,年龄超过3亿年的极端碎屑盘里,就不该出现富含二氧化硅的那一派。论文合作者、康科伊天文台的阿蒂拉·莫尔(Attila Moor)说,样本里符合这个年龄条件的盘目前只有3个,还需要观测更多才能确认。
月球那场撞击已经过去40多亿年,现场早已不存。要知道它当年是什么样子,眼下最好的办法,是去看别的恒星身边正在扬起的尘埃。
