剑桥大学和高等研究院的研究人员开发了一种技术，利用阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)对这些“飓风”的观测，对年轻恒星系统中行星的质量和年龄进行了一些限制。

围绕着年轻恒星的煎饼状气体云、尘埃和冰——被称为原行星盘——是行星形成过程的开始。通过一个被称为核心吸积的过程，引力使圆盘中的粒子相互粘在一起，最终形成更大的固体，如小行星或行星。当年轻行星形成时，它们开始在原行星盘上雕刻出缺口，就像黑胶唱片上的凹槽一样。

即使是相对较小的行星——根据最近的一些计算，它的质量只有木星的十分之一——也可能产生这样的缝隙。由于这些“超级海王星”行星环绕恒星的距离比冥王星环绕太阳的距离还要远，因此传统的系外行星探测方法无法使用。

除了沟槽，ALMA的观测还显示了原行星盘中的其他独特结构，如香蕉或花生形状的弧和团块。人们曾认为，至少其中一些结构也是由行星驱动的。

“一定有什么东西导致了这些结构的形成。”来自剑桥大学应用数学和理论物理系以及新泽西州普林斯顿高等研究院的首席作者罗曼·拉菲科夫教授说。“产生这些结构的一种可能的机制——当然也是最有趣的机制——是我们看到的弧和团块的尘埃颗粒集中在流体漩涡的中心:本质上是小飓风，可以由行星在原行星盘上雕刻的间隙边缘的特定不稳定性引发。”

拉菲科夫与他的博士生尼古拉斯·西曼(Nicolas Cimerman)合作，利用这种解释开发了一种方法，如果在原行星盘中观察到涡旋，就可以限制行星的质量或年龄。他们的研究结果已经在《皇家天文学会月刊》上发表了两篇独立的论文。

拉菲科夫说:“通过直接成像来研究远离恒星的较小行星是极其困难的:这就像试图在灯塔前发现萤火虫一样。”“我们需要其他不同的方法来了解这些行星。”

为了发展他们的方法，两位研究人员首先从理论上计算了行星在圆盘中产生漩涡所需的时间长度。然后，他们用这些计算来限制带有漩涡的圆盘中行星的性质，基本上是为行星的质量或年龄设定了下限。他们称这些技术为行星的“漩涡称重”和“漩涡年代测定”。

当一颗不断增长的行星变得足够大时，它开始将圆盘上的物质推开，在圆盘上形成了一个泄露秘密的缺口。当这种情况发生时，间隙外部的物质比间隙内部的物质密度更大。随着间隙变深，密度差异变大，就会引发不稳定性。这种不稳定性扰乱了圆盘，最终会产生涡旋。

“随着时间的推移，多个漩涡可以合并在一起，演变成一个大结构，看起来就像我们用ALMA观察到的弧线，”西特曼说。由于涡旋的形成需要时间，研究人员说，他们的方法就像一个时钟，可以帮助确定行星的质量和年龄。

Rafikov说:“由于引力更强，质量更大的行星在发展的早期会产生漩涡，所以我们可以利用漩涡对行星的质量进行一些限制，即使我们不能直接看到行星。”

利用光谱、光度和运动等各种数据点，天文学家可以确定恒星的大致年龄。有了这些信息，剑桥大学的研究人员计算出了自原行星盘形成以来可能在恒星轨道上运行的行星的最低质量，并能够产生一个可以被ALMA观测到的漩涡。这帮助他们在不直接观测的情况下，确定了行星质量的下限。

通过将这项技术应用于几个已知的具有突出弧的原行星盘，研究人员发现，产生这些漩涡的假定行星必须具有至少几十个地球质量的质量，在超级海王星范围内。

“在我的日常工作中，我经常关注执行模拟的技术方面，”Cimerman说。“当事情结合在一起时，我们可以利用我们的理论发现来了解真实系统，这是令人兴奋的。”

拉菲科夫说:“我们的限制可以与其他方法提供的限制相结合，以提高我们对这些系统中行星特征和行星形成途径的理解。”“通过研究其他恒星系统中的行星形成，我们可能会更多地了解我们自己的太阳系是如何演变的。”

这项研究得到了科学技术设施委员会(STFC)的部分支持，该委员会是英国研究与创新机构(UKRI)的一部分。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。