原行星盘是行星形成的摇篮，通常在尘埃连续谱和气体发射线图像中呈现出如明亮的环和暗淡的间隙等引人入胜的特征。这些特征在传统上被归因于行星对盘的影响，如由于行星开启间隙、改变气体旋转轮廓，这些效应有可能被观察到。
一项由清华大学天文系2019级博士研究生蒋昊昌领导的研究团队的新发现为这些盘和它们孕育行星之间的复杂关系带来了新的洞察力。研究认为，正在吸积的巨行星可以留下另一种间接迹象：与行星直接从原行星盘中继承化学成分的传统观点不同，吸积中的巨行星可以局部影响原行星盘的化学成分（见附图1）。
附图 1. 相关理论模型示意图。 (a) 在失控吸积之前，一颗小的巨行星核嵌入在气态盘内，富含碳的冰被冻结在卵石颗粒上。 (b) 在失控气体吸积过程中，行星迅速生长，消耗其附近的卵石颗粒，并在原行星盘中打开一个间隙。 由于吸积中的行星很热，升华温度较低的富含碳的挥发性冰（如甲烷）很容易从冰中释放到盘中。 另一方面，最主要的富氧载体水和二氧化碳的升华只能在小于行星希尔半径的位置实现，此时物质将被吸收到行星中。 升华温度的差异可使得气体间隙内的碳氧比大于1。 此外，恒星紫外光子可以更深地穿透气隙。 大于1的碳氧比与高紫外通量的结合引发光化学反应，形成了C2H环； (c)在间隙打开后，由于升华卵石的供应终止， 通过扩散过程的径向混合，碳氧比在整个圆盘上变得平滑。
为了揭示积累行星与盘化学之间的联系，研究团队利用先进的Athena++流体动力学代码，配备能够跟踪相变过程（如升华）的新模块，进行了2D流体动力学模拟。通过模拟，他们展示了位于甲烷雪线之外正在吸积的行星可以加热周围的气体，从而导致富碳分子从冰卵石颗粒中升华。这个过程在局部增强了气体盘的碳氧比（C/O），为阿塔卡马大毫米/亚毫米波阵列（ALMA）检测到的线发射环提供了一个合理的解释。
特别值得提出的是，这一发现为MWC 480实例提供了有力的解释。MWC480是一个位于金牛座-御夫座恒星形成区的原行星盘，其中心恒星约为2倍太阳质量，年龄仅约6百万年。在先前的观测中，曾确定了其76天文单位处的尘埃间隙^1内存在一系列分子线发射环的空间重合^2（见附图2）。这项研究表明，如果一颗吸积中的行星位于该间隙中，则可以自然地解释此相关性，该假说可通过光学和红外望远镜观测以进一步测试和确认。
附图2. ALMA 对 MWC 480 的观测。 (a)：257 GHz 毫米波灰尘连续发射^3; (b)：六个分子跃迁的线发射图像^4 （筛选以便展示，共计有十余条发射线具有类似的环状结构）。 发射线名称标注在每个面板上方。 虚线椭圆标示左图中位于76天文单位的尘埃间隙，实心椭圆标示位于98天文单位的尘埃环。
这一研究引入了一种新的视角，即通过影响原行星盘的辐照和元素丰度，吸积中的行星并不单纯仅是将原行星盘的化学组分继承到行星本身。巨行星的吸积过程也会主动地塑造其形成环境的化学成分，并以分子发射线环的形式留下可检测的化学痕迹。
研究团队的工作展示了将理论计算与尖端观测相结合以揭示盘与行星形成之间复杂联系的潜力，为天文学家了解原行星盘领域中引人入胜的行星形成之旅提供了更深入的见解。
相关研究成果以“巨行星形成的化学足迹：行星吸积在塑造原行星盘 碳/氧比中的作用”为题发表于《天文与天体物理学》，博士研究生蒋昊昌为第一作者，研究合作者包括清华大学天文系2021级博士研究生王雨、导师Chris Ormel教授，埃克塞特大学Sebastiaan Krijt教授和维多利亚大学董若冰教授。
论文链接：https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2023arXiv230708704J/abstract
Refs:
1. Liu, Y., Dipierro, G., Ragusa, E., et al. 2019, A&A, 622, A7
2. Jiang, H., Zhu, W., & Ormel, C. W. 2022, ApJ, 924, L
3. Sierra, A., Pérez, L. M., Zhang, K., et al. 2021, ApJS, 257, 1
4. Law, C. J., Loomis, R. A., Teague, R., et al. 2021, ApJS, 257