天問專欄：超級地球，解謎行星誕生的鑰匙？
行星的誕生之地——環繞年輕主星的原行星盤[1]
編者按
我們的太陽系以及系外行星是如何形成的？以ALMA為代表的新一代天文儀器，或許能為提供我們新的思路，解開超級地球統計之謎。天問專欄第十期，帶你一窺由超級地球給予我們的關於行星形成的啟示。
撰文 | 鄭曉晨（清華大學）
責編 | 呂浩然
知識分子為更好的智趣生活ID：The-Intellectual
行星的誕生地——原行星盤問天
行星是如何形成的？實際上，這個問題很難給出確切的答案。
即使隨著行星探測技術的日臻進步，尤其是在美國宇航局開普勒空間望遠鏡等觀測手段的幫助下，已經有數以千計的行星被探測發現，但是這些已探測到的行星所處的系統都相對古老，很多行星已然圍繞其主星運行了幾十億年，如同我們的太陽系一樣。
所以，現有的行星觀測經驗，告知我們的多是中、老年行星群體的生存現狀。至於它們是如何誕生的，我們仍然知之甚少。
為了尋求這一問題的答案，天文學家不得不將注意力集中到行星的誕生之地——原行星盤。在這裡，新的行星正在孕育。
原行星盤的演化問天
圖1：原行星盤的演化[2]。(a) 初始狀態：盤中的塵埃（小於1微米）處於未演化的原始狀態，與氣體混合均勻；（b）盤中塵埃逐漸成長成毫米大小（或更大）的顆粒並沉積到盤的中平面；（c）盤中氣體密度逐漸降低，並被主星輻射吹散；（d）氣體完全耗盡，留下一個分布著塵埃和星子（或已形成的行星）的碎片盤。
原行星盤的形成，始於大量星際氣體和塵埃在引力作用下的凝結坍縮。在原行星盤的中央，是一顆閃閃發光的年輕主星，年齡不過幾百萬年，在環繞其周圍的氣體（塵埃）盤中，微塵粒子逐漸聚集形成砂粒， 砂粒進一步粘連形成卵石， 卵石又不斷堆積形成小行星（asteroids）甚至行星，最終組成類似於太陽系的行星系統。
原行星盤壽命短暫，隨著盤內物資的耗散而消弭（圖1），其存在時標一般認為不到千萬年。這一判定，主要是基於當前的觀測，畢竟我們現在探測到的，有原行星盤環繞的系統，主星年齡往往僅有數百萬年 。
至於原行星盤「從有到無」的過程具體是如何發生的，目前學界尚無定論。不過，對於原行星盤上的大部分物質而言，最可能的歸宿應該是被主星吸積。當然，也有一小部分會因主星輻射而四處飄散，至於剩下的部分則應用於行星形成。
原行星盤的觀測問天
在原行星盤短暫的數百萬年時光中，塵埃和氣體充斥其間。它們的存在，為行星的形成提供了成長的溫床，也為我們探知原行星盤的結構提供了可能。
要知道，原行星盤中的塵埃粒子一方面會吸收（或散射）來自主星的光，另一方面也會向外熱輻射。而近紅外自適應光學技術（NIR adaptive optics）結合阿塔卡瑪大型毫米波／亞毫米波天線陣（the Atacama Large Millimeter／submillimeter Array，簡稱ALMA），恰好可以探測到這些塵埃粒子的紅外輻射。
ALMA天線陣位於智利，由66個直徑7米和12米的無線電天線組成，在原行星盤觀測方面功勛卓著。它分別於2014年和2016年基於圖像探測到了HL Tauri和TW Hydrae這兩個系統（圖2），也是人類目前了解最清楚的兩個原行星盤。
圖2：HL Tauri（左）和TW Hydrae（右）周圍的原行星盤[4]。其中，HL Tauri的主星屬於金牛座，年齡約為一百萬年，距離地球450光年；TW Hydrae隸屬於長蛇座，距地球194光年，是同類型系統中距離地球最近的恆星，年齡約為幾百萬年。ALMA的觀測圖像表明， 這兩個原行星盤的子結構類似，均有一系列同心亮環，且其中一對暗溝距離很近（箭頭區域）。圖中距離標尺1 AU，即一個日地平均距離（約為1.5億公里）。
原行星盤中的行星暗示問天
儘管目前觀測到的原行星盤都是非常靠近地球的新生系統，但對於這些年輕的前主序星而言，因其磁場活躍、吸積劇烈，所以以現有的觀測手段，即使利用高效的掩星法和視像速度法，也很難從紛繁的光噪音中直接辨別出一顆（或幾顆）行星。
在不久的將來，直接成像法或有潛力可探測到原行星盤中正在形成的行星（特別是利用NASA2018年將要發射的詹姆斯韋伯空間望遠鏡），但至少目前直接觀測還十分困難 。 所以，天文學家多傾向於根據觀測原行星盤所呈現的子結構，來推測行星的存在。
目前，有三種形式的原行星盤子結構最可能與行星的形成有關：暗溝（亮環、圖2）、密度波（圖3）、漩渦（圖4）。
圖3：環繞在新生恆星Elias 2-27周圍的原行星盤。ALMA觀測發現了其旋臂特徵，可能由於盤內的重力擾動——密度波造成[5]。
圖4：年齡只有一百萬年左右的極年輕恆星HD 142527周圍的塵埃盤分布，其中上方的明亮結構可能是一個大質量行星激發產生的漩渦。圖中圓環結構的半徑約為140個AU[6]。
本文主要討論暗溝這一子結構與行星形成的關係。
目前對於行星盤中的溝、環結構存在各種不同解釋，但顯然，這些子結構中蘊含的有關行星形成的暗示才是最吸引人的部分。可以想像，一個行星在環繞其主星運轉的過程中，將藉助其自身的勢能，將大部分塵埃粒子和氣體踢出（或吸積）其軌道勢力範圍，清理出一個無障礙通道，也就是我們在觀測上所看見的「暗溝」。
至於這些暗溝的形狀和深淺則反映了行星與盤之間相互作用的過程，這與行星的質量及盤的性質（包括盤的標高、粘滯係數等）密切相關。
原行星盤中的雙溝構型問天
如果原行星盤中發現了單一的大暗溝，則這一暗溝很可能是由其間存在的一個或多個質量較大的氣體巨行星，利用勢能清掃得到的。但對於一些原行星盤，觀測中所呈現出的奇特多溝細節，卻很難採用現有的行星形成模型來解釋。
比如在由ALMA探測到的HL Tauri原行星盤中，有一對被證認的暗溝，分別位於距中心64 AU和74 AU處，兩條暗溝不僅狹窄，而且間距較小。同樣的情況，也出現在TW Hydrae原行星盤的觀測中，分別位於37 AU和43 AU處，彼此非常接近（圖2箭頭標示位置）。
根據傳統的行星形成理論，如果這些暗溝的存在是由於行星的勢能清掃所致，那麼這也意味著，系統中至少存在兩顆行星，且二者軌道極為靠近，顯然，這樣的行星布局將觸發整個行星系統的動力學不穩定。
雙溝成因——超級地球？問天
有趣的是，今年7月13日，以亞利桑那大學史都華天文台（University of Arizona's Steward Observatory）博士後董若冰博士為首的科研團隊（成員：洛斯阿拉莫斯國家實驗室李勝台、李暉博士，加州大學伯克利分校蔣詒曾教授）在《天體物理學報》上發表了一篇文章，提出了一種全新的可能：即使單個的「小質量」行星，也可以造成原行星盤的雙（多）暗溝分布[3,7,8]。
這裡的小質量行星，是相對於木星一類的氣體巨行星而言，行星質量介於地球與海王星之間的群體（5.965*10^24kg ~ 1.0247*10^26kg）。在天文學家所發現的，數以千計的行星中，這一類行星佔有很大一部分比重，名為超級地球（Super-Earths）。
這篇文章的核心思想認為，以超級地球的質量，雖難如氣體巨行星般，在其軌道周圍清掃出一條「乾淨」的通道，但其形成的過程卻足以激發氣體盤中的密度波。密度波從行星處獲取角動量，並自行星軌道向兩側傳播。
在低粘度的原行星盤中，伴隨角動量的轉移，傳播的密度波將逐漸耗散。最終，在距離行星軌道數個標高的位置，密度波中的非線性機制才起到主導作用，密度波斷截，盤內物質會因獲取角動量卻無處交付，最終被逐出原有軌道，形成盤中圓環狀的低密暗溝，而溝中的原有物質則會被推到邊界處形成高密度亮環，且由於密度波的雙向傳播，最終形成分布於行星軌道兩側的雙窄溝構型。
但因質量所限，超級地球對氣體物質的驅除能力也十分有限。以一個十倍地球質量的超級地球為例，若其處於一個粘滯係數較低（＜0.0001），主星為一個太陽質量，標高與原初太陽系相當的原行星盤中，該行星可以在數十萬年間，將位於其軌道附近的兩條狹窄環帶中的氣體驅除10% 。
不過，盤中塵埃的境遇卻大不相同，由於氣體密度分布的不均勻所導致的氣壓差，會進一步清除氣體溝中的塵埃成分，最終達到50%的驅散率甚至更高，而這些被驅逐的塵埃將在氣體溝外聚集成環。
圖5：模擬單一超級地球對原行星盤中塵埃分布的影響。其中，顏色表徵行星盤中塵埃的面密度擾動（即時面密度／初始面密度）：紅色為高密度區域，藍色為低密度區域。約2000個軌道周期後，這個超級地球將會在原行星盤中開出兩個主要暗溝，且距離較近，暗溝之間塵埃堆積，形成亮環結構，與ALMA的實際觀測結果類似[3]。
與目前大多數原行星盤模擬只考慮氣體成分不同，董若冰團隊的這項模擬工作混合了塵埃，與觀測更為貼近。他們在二維的雙流體（氣體和塵埃）動力學模擬（LA-COMPASS程序）後進行輻射轉移的模擬（MCRT 程序），來研究一個超級地球如何在低粘度（粘滯係數＜0.0001 ）的原行星盤中，將毫米大小的塵埃（觀測可見）驅散成ALMA 中觀測到的雙溝構型。
研究團隊將這一模擬方法稱之為「合成觀測（synthetic observations ）」， 因為他們的模擬結果可以與實際的觀測成像直接比較（圖6、圖2）。
圖6：「合成觀測」模擬一個處於30 AU的超級地球在行星盤中的開溝情況。結果與ALMA觀測到的HL Tauri原行星盤構型類似[3]。
未來的可能問天
在這項工作中，原行星盤粘滯係數的選擇相對較低，因為在低粘度的盤中，低質量行星的引力擾動效果才可以體現。雖然這一粘度係數的選擇尚存爭議，但這一參數本就是由湍流和其它多項物理因素共同驅動的，所以他們的假設不無可能。
例如，近來由清華大學白雪寧教授針對原行星盤進行的非理想磁流體力學計算表明，行星盤中平面處的MRI （magnetorotational instability）不穩定性很可能難被有效激發，這將導致盤中的粘度係數處於較低的水平。
更重要的是，這項工作中，無須假設類似於木星大小的氣態巨行星，僅僅一個超級地球，就已經足夠製造出複雜的多（雙）環（溝）結構， 這也為解決有關行星統計的觀測分歧找到了切入點。
傳統的行星形成理論認為，只有質量更大的木星類氣態巨行星或矮木星，才能利用其強大的勢能在原行星盤中清掃出可觀測的溝環結構。 在ALMA僅僅拍到的兩張高解析度圖片上均發現存在相似的多溝環結構。
這一觀測結果似乎預示著，新生行星系統中，體量龐大的嬰兒期巨行星正在普遍形成或者已然形成。然而，當我們的望遠鏡對準幾十億年的中老年主序星時卻發現，在所有捕獲到的銀河系成年期行星中，嬌小玲瓏的超級地球數量反而更驚人。換而言之，此前對很多行星盤中正在形成的行星的狀態推測與銀河系中的主要行星組成相悖。
而董若冰團隊的這一工作，恰恰證明了超級地球此前被忽視的、強大的開溝能力， 解決了行星嬰兒期與成年期的觀測差異。當然，現有的原行星盤觀測樣本還是太少，仍缺乏完備的統計規律。
除了HL Tauri 和TW Hydrae外，近年來，還有多個年輕的恆星周圍發現了原行星碎片盤的蹤跡，例如Vega 和Fomalhaut。不過，相對於HL Tauri 和TW Hydrae中多溝的精細子結構，Vega 和Fomalhaut中的原行星盤多被證認為單個的大型無塵溝，範圍距離主星十幾AU至一百AU開外。
這樣大的無塵區域，到底是多行星勢力範圍疊加的結果，還是由單一行星觸發的激烈動力學清掃傑作，這又是另外一個有趣的話題了。
未來，ALMA將收集更多的原行星盤圖像，隨著這些原行星盤面紗的一一揭開，我們對於初生行星的了解必將越來越清晰深入，行星的形成過程或將不再神秘。
作者介紹：
·鄭曉晨，2010年畢業於華中師範大學，2010-2016就讀於北京大學天文系攻讀博士學位。現於清華大學天體物理中心工作，主要研究方向為行星形成和動力學演化。
致謝：感謝清華大學天體物理中心毛淑德教授、北京大學吳曉涵同學以及即將趕赴加拿大維多利亞大學任教的董若冰對本文的修改建議！
參考文獻：
[1] https://scitechdaily.com/early-chemistry-stars-protoplanetary-disc-shapes-life-friendly-atmospheres/
[2] https://astrobites.org/2011/03/11/review-article-protoplanetary-disks-and-their-evolution/
[3] https://uanews.arizona.edu/story/ua-astronomers-track-birth-superearth
[4] http://scienceblogs.com/startswithabang/2016/03/31/a-nearby-infant-star-teaches-us-how-planets-begin-to-form-synopsis/
[5] http://www.almaobservatory.org/en/press-release/alma-discovers-hidden-spiral-arms-embracing-a-young-star/
[6] http://www.almaobservatory.org/en/press-release/alma-measures-size-of-planets-seeds/
[7] Dong, R., Li, S., Chiang, E., & Li, H. 2017, "multiple disk gaps and rings generated by a single super-earth", ApJ, 843, 127
[8] http://tucson.com/news/science/model-may-help-astronomers-better-understand-the-formation-of-planets/article_e7c284e8-b3d0-587d-9f27-39a200a1788d.html
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