行星是如何從宇宙塵埃中誕生的？

最新 06-08

在過去的兩個半世紀中，研究「行星系統（包括太陽系；）起源」的科學家們都專註於一個特定的場景：圍繞新生恆星旋轉的「原行星盤」。在那裡，氣體和塵埃就像陶輪上的粘土一樣，被「雕塑」成行星。

但是，希望通過「觀察星盤中凝聚行星的過程」來檢驗這個想法嗎？沒這運氣。現在，大家都說行星是在「原始星盤」中形成的；但是，從技術上說，這句話是目前只是理論上的說法。

過去幾年的進展表明，在不久的將來這個理論將得到檢驗。使用安裝在巨型地面望遠鏡上的新一代設備，幾個團隊終於獲得了一些「原行星盤」的內部圖象，從中發現了意想不到的，神秘的圖案。

今年（2018年）4月11日，歐洲南方天文台發布了8張最新的圖片，顯示了年輕恆星周圍「原行星盤」的圖像。科學家希望從這些圖象中了解太陽系在初期的演化過程。

雖然沒有拍攝到行星的清晰圖象；但是，這些圖片（連同以前拍攝到的圖片）確實包含令人興奮的證據（雖然是間接的），顯示行星正在「原行星盤」中形成。有些星盤就像黑膠唱片一樣具有環狀的結構，這可能是新生行星留下的痕迹；其他的星盤，在恆星光芒的照亮下，顯示出類似「溜溜球」的結構。

如果天文學家能夠在這樣的地方找到一顆新生行星，那麼將獲得深遠的影響。不僅能證實天文學一個最基本的假設（行星是在「原始星盤」中形成的）；而且，通過定量測量行星形成的位置，以及其尺寸，將有助於對「行星如何誕生」的爭論做出判斷。

一個稱為「核心吸積」（coreaccretion）的行星形成理論認為：行星的形成發生在靠近恆星的區域，在岩石核心周圍逐漸凝聚，過程緩慢。另一種理論則認為，由於星盤中的引力不穩定性，巨大的行星可以很快地聚合，並且發生在遠離恆星的地方。目前，這些想法可以通過觀察太陽系或者其他星系中行星的分布情況來檢驗。但是，科學家至今還沒有機會觀察星系中行星發生重新排列前的演化過程。

這是天文學家一個尚未完成的任務：觀察遙遠，昏暗，凌亂的星盤，捕捉新生的行星，從而解開宇宙中的基本過程。

直接檢測

當在「原行星盤」中尋找行星時，通常會認為自己找到了它們。研究這些星盤的天文學家已經發現了多個隱藏在裡面的光斑。例如，就在5月6日，一個國際團隊報告稱，一個巨型行星潛藏在於一個名為CS Cha的恆星系統中；但現在這些斑點僅僅是行星的候選者而已。

每一個行星都仍然存在很大的爭論。

CS Cha系統里似乎隱藏了一個小行星（虛線圓圈）突出顯示。

這種模糊性與行星所處的「混亂」環境密切相關。

負責搜索這些「新生行星」的設備中，SPHERE是出於領先地位的一台，它被安裝在智利阿塔卡馬沙漠（Atacama Desert）的超大望遠鏡上，最近公布的8張「原行星盤」圖像就是它拍攝到的。另一個代表是「雙子座行星成像儀」（GPI），安裝在智利山區的另一台望遠鏡上。

與其他獲得間接特徵的技術不同，這兩個設備都是為了捕捉來自於行星的光子信號。研究人員利用觀察「成熟穩定的」恆星系統的機會，對這兩套設備進行了校驗，以便讓他們產生可靠的數據。

TW Hydrae星盤的旋臂上可能隱藏著一顆行星。

這些相機需要從明亮恆星信號中分理處來自行星的微弱光線，就像找到坐在遠處識別聚光燈邊緣上的螢火蟲。他們使用「自適應光學技術」（一種跟蹤大氣波動的技術），實時調整光學系統進行補償，這樣可以抵消地球大氣波動的影響，消除夜空中閃爍，以達到更高的解析度。他們也使用「日冕觀測儀」，阻擋來自恆星的光線。

最重要的是，這些相機採用了另一種稱為「差分成像」的技巧。例如，SPHERE會通過不同的偏振濾光片，同時拍攝兩張照片。恆星的光信號本身不是極化的，所以，在這兩張照片中，恆星看起來都一樣。它可以被減去。但是，當光線受到散射時，它就會變得極化，這使得研究人員可以通過對比兩張照片，分辨出從星盤或行星反彈回來的光信號。

研究人員通過計算機演算法搜索對比以後的光圖像。但是，在星盤中尋找新生行星時，這些演算法有可能會把星盤的信號和行星的信號相混淆。

圍繞年輕恆星HD 163296的同心環可能是由土星質量大小的行星引起的，這些行星可以清除軌道上的氣體和塵埃。

過去幾年來，研究人員一直試圖分析這些錯誤的信號，以及那些令人困惑的星球候選者，包括一些圍繞恆星旋轉時不符合開普勒運動定律的星球（所有星球圍繞恆星運動時都應該符合開普勒運動定律）。

與此同時，還有另外一個途徑去尋找新生的行星。雖然SPHERE和GPI並沒有明確地發現一個成形的行星，但他們已經成功地獲得了最原始的「原行星盤」的圖像。仔細觀察這些圖象的時候，可以發現這些星盤中包含一些怪異特徵，可能與行星形成有關。

問題在於，如何將這些特徵與行星聯繫起來？這也不容易。

我們認為星盤是尋找行星的路標，但我們並不知道如何解釋其中的現象。

螺旋的搖籃

2012年首次出現的一種引人注目的模式。在至少六個原行星盤中，似乎有些東西將氣體和塵埃纏繞成像螺旋星系臂一樣的螺旋結構。

圍繞年輕恆星HL Tauri的「原行星盤」具有多個同心環。天文學家認為，新形成的行星正在「雕刻」複雜的結構。

天體物理學家有兩個主要想法來解釋這些螺旋臂是如何形成的。兩者都借鑒了數十年提出的「星系螺旋」（galactic spirals）理論。這個想法認為，圍繞新生恆星旋轉的氣體和塵埃開始堆積，從而造成「天體交通堵塞」。不過，必須有一個最初引發的因素。

天文學家認為，如果圍繞恆星的星盤較重（達到恆星質量的1/4），那麼，引力的不穩定可能導致氣體和塵埃堆積成旋臂結構。但是，研究人員發現，許多螺旋星盤的質量遠低於這個質量閾值，暗示另一種機制可能正在發生作用。

2015年，亞利桑那州天體物理學家Dong領導的一個研究小組開展了模擬研究，展示了比木星稍大一點的巨大行星也能觸發螺旋臂的形成。這顆行星將位於旋臂的尖端，並在它圍繞恆星公轉時拖動懸臂運動。如果是這樣，每一個旋臂就像是一個巨大的箭頭，指向一個正在出生的行星。

2016年，Dong的團隊發現證據表明，這些旋臂可以由一個巨大的星體引發。對於圍繞恆星HD 100453的旋臂而言，這個觸發物體是一顆矮星（矮星比行星更容易被發現）。這個發現起到了概念驗證的作用；之後，人們更加相信這個模型。

尋找一個旋臂尖端的行星成為天文學家的目標；但是，天文學家卻為此等待了很長的時間。直到最近，由約翰霍普金斯大學的Bin Ren領導一個研究小組，收集並分析了十多年來MWC 758的旋臂數據。

結果顯示，在這段時間內，旋臂結構可能略有偏轉（每年大約偏轉1/6度）。研究人員預測，這種旋轉可能是由旋臂尖端的巨大行星引起的，這個行星圍繞恆星的公轉周期約為600年左右。但是如果存在的話，這樣一個星球仍然「深藏不露」。

圍繞恆星MWC 758的旋臂可能是由其尖端的一個巨大的行星造成。

當然，即使旋臂確實與行星有聯繫，也不能由此解釋所有新生行星的誕生。在模擬中，只有巨大的行星足夠吸引旋臂結構；更小的行星將不得不通過其他手段發現；而且，並不是所有的「原行星盤」都有螺旋結構。

例如，通過SPHERE觀察到的星盤圖象，所有質量和太陽相似的恆星的星盤都沒有旋臂結構。這表明，大質量恆星對於形成旋臂更有效。但是，新生恆星的星盤中展現了其它東西，一種更有趣的結構：間隙。

裂縫中的行星

2014年秋天，天文學家在智利安第斯山脈測試一組射頻陣列——ALMA。他們決定利用能找到的最大的原行星盤上完成這次測試。隨後，ALMA觀察到HL Tauri的系統觀察到空白的間隙和厚重的圓環，這引起了研究人員的爭論。

智利安第斯山脈Chajnantor高原上樹立了ALMA的66根天線。

科學家們辯論的焦點是：這些空隙是否是由行星產生的？隨後，科學家研究了另一個名為TW Hydrae的系統的星盤圖象；這些圖象顯現出更為明顯的空隙結構。但是，科學界都沒法回答：這兩個星盤的空隙結構是由行星還是其他因素造成的？

辯論仍在進行中。

就像旋臂一樣，行星和其他效應都可以塑造空隙。一顆行星可能會在數千年至數百萬年的時間裡創造一個「空隙」。當它繞著軌道運行時，它既會將星盤中的氣體和塵埃拉向自己，也會將它從軌道上拋出去，留下一個空的「凹槽」。

這種引力的效果是會累積的。雖然，要形成旋臂需要比木星更大的星體；但是，要形成空隙，只需要海王星大小（甚至更小）的星體就可以了。

所有這些行星都有可能在星盤中形成足夠深的「空隙」；而我們可以用現有的儀器輕鬆看到他們。至關重要的是，這些「空隙」可能是研究小行星形成的唯一近期機會。相比於木星大小的行星，這些小行星更難以在星盤中被直接觀察到。

如果不是行星，可能會造成這些差距？星盤的磁場可能會導致湍流區域，將物質清除出去，變成空的磁性「死區」。化學物質的突然變化也可能會導致這樣的間隙。例如，一個恆星系統的「雪線」這樣的一條分界線：在它內部，水以水蒸汽形式存在；在它的外部，水以固體顆粒形式存在。其他化合物，如一氧化碳和氨，也會出現類似的分界線。

這個問題的一直困繞著天文學家。最好的情況是，能實際上看到了一顆行星在「空隙」中。從技術上講，目前的技術本身並不能檢測到星盤中的小行星，但可以觀察到塵埃落入其中所產生的信號。如果這樣的信號可能與旋臂或空隙相關聯，這將有助於科學家更好的闡釋「行星是如何形成」的問題。

等待可能不會太長。

我們預計未來幾個月會有很多非常令人興奮的事情發生。