天文学家观测行星诞生

我开始读研究生那周，位于智利的阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）望远镜宣布了首批科学项目。这个突破性的设施使用数十个射电天线协同工作，以创建像单个16公里宽的望远镜一样详细的图像。凭借这种极高的分辨率，ALMA可以在毫米波和亚毫米波波段比以往任何望远镜看得更深更远。我抓住机会加入其首批项目之一——一项关于附近一颗名为AU Mic的恒星周围尘埃和碎石盘的研究。我们观测的对象是科学家在ALMA建成之前从未如此详细地看到过的东西。尘埃和碎石听起来可能不那么令人兴奋，但它们是制造行星的原材料，而这座天文台让我们有机会亲眼目睹这个过程。

数据交付又花了一年时间。现代天文学通常是远程完成的：我们不必在偏远的山区天文台熬夜，我们所要做的就是提交一个计算机脚本，告诉望远镜要观测什么以及何时观测。然后我们耐心地（或更常见的是，不耐烦地）等待我们的观测被安排和完成。我仍然记得那种期待，当我等待数据下载时的那种忐忑不安的感觉，以及当数据最终准备好时，图像出现在我的电脑屏幕上时的敬畏——一个细长的光斑，中心有一个亮点，两侧边缘各有两个亮点。

我们瞥见的是一个正在成长的太阳系。中心的光点实际上是恒星，我们现在知道它正在爆发，向太空发射高能粒子束。另外两个亮点标志着环绕中心恒星的碎片盘的边缘，类似于环绕我们太阳的柯伊伯带。我们认为这个带状物是AU Mic周围行星形成后留下的碎石，AU Mic是一颗年轻的M矮星，距离我们约32光年。其他科学家最近在该系统中发现了两颗行星：一颗质量约为木星，另一颗质量约为土星，都相当靠近它们的恒星运行。现在我们有一个前所未有的机会来观察圆盘中的物质是如何演化的，以及如何与新形成的行星相互作用的。

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自从早期的图像以来，ALMA的功能不断扩展，该阵列现在拥有新的天线、更高的分辨率和更多的波长覆盖范围。与此同时，星周盘和行星形成的研究也蓬勃发展。ALMA拍摄了数百张行星婴儿照片，帮助我们构建了关于此类系统如何形成的新观点，并揭示了我们以前永远无法探测到的大量行星。

婴儿行星

恒星形成于被称为分子云的巨大气体和尘埃区域。空旷空间的典型密度仅为每立方厘米一个原子，但分子云最稠密的区域可以达到这个正常值的10,000到一百万倍。当这些斑点或“核心”变得足够稠密时，它们开始在自身引力作用下坍缩形成恒星。与此同时，坍缩核心的初始旋转和角动量守恒自然地形成了一个围绕新生的恒星的盘。天文学家将这些尘埃和气体集合称为“星周”（意为“围绕恒星”）盘。

当恒星还非常年轻（只有几百万年）时，它们的星周盘相对巨大，通常在一个典型的系统中，其质量约为中心恒星质量的1%到10%。对于像太阳这样的恒星，这相当于一个质量大约是木星100倍的盘。这些年轻而巨大的飞盘是“原行星盘”，因为我们认为行星正是在这里积极形成的。岩石、金属和冰从圆盘中凝结出来形成行星种子。随着种子开始碰撞并粘在一起，它们变得越来越大，直到它们有足够的引力开始通过称为吸积的过程吸引更多的物质。婴儿原行星在圆盘内轨道运行并继续积累物质，在行星“吃豆人”游戏中在圆盘中刻出空隙。几乎所有年龄小于几百万年的恒星都被圆盘包围，这些圆盘很可能孕育着各种各样的新行星系统。

原行星盘阶段持续数百万年。在那之后，最初的星周盘中的大部分气体和尘埃都消失了。这种清除是如何发生的以及在什么时间尺度上发生是活跃的研究领域，但我们认为，原始圆盘中的大量尘埃和气体要么向内迁移并落到中心恒星上，要么被强烈的恒星风吹走。大约1000万年后，剩下的就是一个成熟的恒星，周围环绕着一个新的行星系统和一个由残留的小行星和彗星组成的圆盘。这种残留物质的总质量很低——可能不到地球质量的10%。尽管这些“碎片盘”中可能仍然有足够的质量来形成小型类地行星或类似冥王星的天体，但你可以将它们视为早期行星形成的化石记录。它们的结构是通过与新形成的行星的引力相互作用塑造的，它们的组成为了解最初构成这些行星的物质提供了线索。

天文学家在1983年发射红外天文卫星（IRAS）时首次发现了碎片盘。它是第一颗在红外波长（12到100微米；人发大约75微米宽）扫描整个天空的卫星。你可以将红外辐射视为热量。当IRAS扫描红外天空时，天文学家发现许多恒星看起来比预期的更亮。为什么？提出的答案是尘埃。如果这些恒星被尘埃盘包围，尘埃颗粒会被恒星加热，然后在红外范围内辐射热辐射。从这个推论中，一个新的研究领域诞生了。事实上，IRAS发现的前四个碎片盘——织女星、绘架座β星、波江座ε星和北落师门星——至今仍在研究和困惑中。

通过使用红外望远镜搜索此类亮点，天文学家已经证实，至少有20%到25%的恒星被碎片盘包围。鉴于我们对行星系统如何形成的认识，人们可能会合乎逻辑地得出结论，所有恒星都应该被残留物质包围——毕竟，开普勒任务的统计数据告诉我们，银河系中的每颗恒星至少都有一颗绕轨道运行的系外行星。事实上，碎片盘可能比我们知道的更常见。即使是我们太阳系也有自己的多个碎片盘系统——小行星带和柯伊伯带。然而，与我们一直在成像的其他恒星周围的系统相比，太阳系实际上是贫尘的。事实上，迄今为止最深入的红外巡天只能识别出尘埃质量大约比我们在太阳系中看到的质量高一个数量级的圆盘。这是否使我们的宇宙家园成为一个怪胎？我们还不确定。我们一直在研究质量最大、最极端的圆盘，但可能还有更多低质量的圆盘有待发现，这将帮助我们将我们自己的行星系统置于背景中。

尽管天文学家在20世纪80年代早期红外观测中开始推断出尘埃盘的存在，但他们并不知道它们是什么样子的。在20世纪90年代和21世纪00年代望远镜技术改进之前，只有一个恒星系统——绘架座β星——被分辨出来。值得注意的是，哈勃太空望远镜采用了日冕仪成像技术，天文学家使用这种技术来阻挡来自中心恒星的光，以便看到较暗的周围物体，从而对星周盘中小的尘埃颗粒散射的光进行成像。尽管这些早期图像中的许多都不清晰，但它们首次表明星周盘实际上具有扩展的、复杂的结构。在绘架座β星周围的碎片盘的情况下，第一批哈勃图像显示了圆盘内区域的扭曲，天文学家认为这可能表明一颗看不见的行星。直接成像后来证实了这个婴儿世界。

新型望远镜

我们从尘埃中看到的反射光的波长大致对应于尘埃颗粒的大小——光学和近红外光来自数十微米大小的小尘埃颗粒，而远红外和毫米波波长成像对尺寸与沙子相似的较大颗粒敏感。我们认为，这些较大的颗粒更好地示踪了星周盘的潜在结构。在圆盘内部，存在连续的碰撞级联。大型彗星和小行星相互碰撞并被磨成越来越小的尘埃颗粒。圆盘中质量最大的物体被称为星子，它们的位置受到系统中其他行星相互作用的影响。如果我们能找到星子，那么即使我们永远无法直接观测到这些大型天体，这些信息也可以用来推断看不见的行星的存在。

最小的尘埃颗粒很容易被与星际气体的相互作用移动，或者只是被恒星本身的风和辐射吹走。但是，由于较大的沙粒状颗粒受这些力的影响较小，因此它们为我们提供了最好的机会，通过它们的引力影响来揭示潜在的圆盘结构和看不见的行星。

因此，我们希望观察长波长来研究圆盘结构并搜索看不见的行星的迹象。这似乎很简单——但当然，有一个陷阱。望远镜的分辨率等于观测波长除以望远镜的直径。因此，当您将波长从光学波段增加到毫米波波段时，您必须大大增加望远镜的尺寸才能获得相同的分辨率。哈勃望远镜的直径为2.4米，对于1微米波长的观测，分辨率为0.13角秒。如果想要在1毫米波长下获得相同的分辨率，您需要将望远镜的直径增加1000倍，达到2公里以上！我们无法建造如此大的望远镜，因此我们必须使用一种称为干涉测量的技术。本质上，干涉仪不是使用单个直径为2公里的望远镜，而是将多个较小的望远镜分散在2公里范围内，并组合它们的信号以获得同样高的分辨率。

ALMA于2011年拍摄了第一张图像，至今仍是世界上最强大的干涉仪。ALMA位于智利阿塔卡玛沙漠，海拔约5公里，拥有66个天线，可以重新定位以跨越150米至16公里的基线（任意两个天线之间的距离）。如果您熟悉华盛顿特区地区，请想象一下白宫椭圆形草坪：在最紧凑的配置中，ALMA将完全位于其中。在最扩展的配置中，它将跨越整个首都环城公路。凭借在灵敏度和分辨率方面的进步，我们现在可以比以往任何时候都更详细地对更暗淡的物体进行成像。毫不夸张地说，ALMA彻底改变了我们对星周盘的理解。

在2014年拍摄的首批轰动一时的圆盘图像之一中，ALMA对HL Tau进行了成像，这是一个可能不到10万年的年轻系统。照片显示，曾经被认为是连续的圆盘被分割成多个环和空隙。鉴于该系统的年龄很小，如果这些空隙实际上是由婴儿行星雕刻出来的，那么行星形成必须比最初认为的开始得更早。在另一个值得注意的发现中，2018年，DSHARP（高角分辨率项目中的圆盘亚结构）调查以高分辨率观察了20个原行星盘，发现每个圆盘都有环和空隙，有些甚至显示出螺旋结构。显然，这些特征并非HL Tau独有，而是年轻星周盘普遍存在的特征。

行星探测

除了教给我们关于行星形成过程的知识外，研究圆盘也是探测我们原本无法找到的系外行星的好方法。

开普勒和苔丝（凌星系外行星巡天卫星）等望远镜任务以及许多地面巡天迄今已探测到数千颗系外行星。然而，这些行星中的大多数比我们太阳系中的行星质量更大或更靠近它们的宿主恒星。这些类型的行星不一定更常见；只是我们更容易找到它们。探测系外行星的两种主要方法是凌星法，它寻找行星在恒星前方运行时恒星的周期性变暗，以及视向速度法，它通过观察行星由于引力牵引在其宿主恒星中引起的轻微速度变化来追踪行星。这两种方法都偏爱轨道周期短的大行星，因为必须观察多个轨道才能确认探测结果，这意味着使用这些方法的天文学家可能会错过许多行星。例如，海王星的轨道周期约为165年：如果您从另一颗恒星研究我们的太阳系，您将等待很长时间才能看到它凌日太阳哪怕一次。我们确实知道的少数几颗距离其宿主恒星像海王星一样远的行星是通过直接成像探测到的，直接成像使用日冕仪——阻挡来自宿主恒星的光——来对行星本身进行成像。然而，这种方法也有其自身的观测偏差，偏爱年轻的系统，在这些系统中，行星仍然保留着形成过程中的大量热量。

为了将太阳系的结构置于背景中，我们必须能够探测到古老系统中远离其宿主恒星的巨行星。现在，借助ALMA，可以通过使用星周盘的分辨结构来实现这一点，这为其他系外行星探测方法提供了强大的补充。

例如，我们可以通过研究由在其内部轨道运行的行星雕刻的圆盘特征（例如，扭曲、团块和其他不对称性）来找到类似海王星的行星。在我们自己的太阳系中，经典的柯伊伯带非常狭窄，这是由于海王星的引力影响。我们认为，在太阳系早期演化过程中，海王星最初形成于更靠近太阳的地方，然后向外迁移，扫荡了其尾迹中的大部分残留物质，形成了今天看到的柯伊伯带。如果我们观察到系外碎片盘中类似的结构，我们可以使用它们来推断看不见的类似海王星的天体的存在。

我们还可以通过研究行星居住的圆盘来更多地了解我们已经知道的行星。HR 8799系统有四颗直接成像的巨行星，它们在类似于我们自己的小行星带和柯伊伯带的区域之间运行。借助毫米波干涉测量，我们可以分辨出该系统外部柯伊伯带类似物的结构，并确定其内边缘的位置。如果我们假设系统中最外层的行星负责雕刻圆盘，我们可以使用内边缘的位置来约束行星的可能质量，约为木星质量的六倍。这看起来可能不算什么壮举，但这比我们之前对行星质量的最佳估计要精确得多，之前的估计依赖于行星如何随着时间推移冷却和变暗的理论模型。使用圆盘的结构，我们可以对这些模型提供重要的独立检查。

ALMA对年轻原行星盘的观测显示出丰富的详细结构；环和空隙似乎几乎存在于每个系统中。如果所有这些空隙都是由行星雕刻出来的，我们可以假设存在大量看不见的冰巨星行星。然而，将年轻系统中的结构直接与行星联系起来具有挑战性，因为其他效应使建模工作变得复杂。较老、演化程度更高的系统更容易解释，但到目前为止，很少有碎片盘表现出多环结构。最近，我们在HD 15115碎片盘中发现了一个新的空隙，其位置超出了我们系统中冥王星的轨道。动力学模型表明，这个空隙代表一颗冰巨星行星，其质量略小于土星。我怀疑，随着我们获得更多这些演化系统的深入、高分辨率图像，更多行星引起的特征将会显现出来。

此外，除了星周盘的结构外，我们还可以研究它们的组成。由于这些圆盘是行星形成的储藏库和化石记录，它们的组成与这些系统中行星的组成及其形成历史密切相关。许多常见的分子由于其分子键的弯曲和伸展而在毫米波波长下发光。科学家已经在原行星盘中存在的大型气体储藏库中探测到数十种有机分子（包括一氧化碳、甲醛、甲醇和氨等）。

我们的研究还发现了一个新的谜团：传统上，碎片盘被认为是贫气的，因为它们最初的气体储藏库应该在几百万年内清除。ALMA已经揭示，许多碎片盘包含二氧化碳气体，但我们将其解释为彗星在圆盘中碰撞的结果，并在它们被磨成小尘埃颗粒时以气体形式释放出被困的冰。然而，少数系统挑战了这一图景，因为它们包含如此大量的气体，以至于需要不切实际的高彗星碰撞率才能产生它。这一发现提出了一个问题：原始气体是否有可能在这些圆盘中保留数千万年？到目前为止，我们还没有答案。

多波长未来

作为一名科学家，在我成长的过程中，行星形成研究领域也随之成长，这让我感到兴奋。当ALMA首次睁开眼睛观测天空时，我开始攻读博士学位，而当我开始我的第一个教职时，我们正在迈向激动人心的多波长天文学新未来。ALMA彻底改变了我们对星周盘的理解，揭示了结构和化学成分的复杂性，而这些复杂性在几十年前只能猜测。但ALMA无法回答我们想要探索的所有问题。我在本文中讨论的所有碎片盘都是柯伊伯带的类似物，即太阳系外区域的寒冷尘埃环。到目前为止，天文学家仍在努力对小行星带的类似物进行成像——我们仍然只能通过它们过量的红外光来探测这些特征，就像我们在早期使用IRAS时所做的那样。

为了对系外系统的内部区域进行成像，我们需要对热尘埃敏感的更短波长。詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）计划于2021年发射，我们预计它将拍摄第一张小行星带类似物的照片。除此之外，JWST将在直接追踪来自硅酸盐（如橄榄石和辉石等矿物，地球上也存在）的发射的波长下运行，并约束圆盘颗粒的矿物成分。

展望更远的未来，下一代“极大望远镜”正在建造中，这些仪器将在2020年代中期至后期看到第一缕光。这些望远镜的直径将大于24米，是目前任何地面望远镜的五倍以上，它们可能能够直接对我们现在只能从ALMA圆盘观测中推断出的某些行星进行成像。

天文学和天体物理学十年调查——一项旨在确定未来资助优先事项的全领域努力——正在进行中。正在考虑的是四项NASA旗舰任务，这些任务可能会在2030年代及以后在行星科学领域取得巨大进展。起源太空望远镜是一个低温冷却的红外天文台，可以追踪来自恒星形成区域的水是如何最终进入星周盘的，提供关于低质量圆盘群体的统计数据等等。其他候选者，如大型紫外/光学/红外巡天仪和宜居系外行星天文台，是直接成像任务，可以探测和表征许多系外行星，其中一些可能是类地行星。

无论最终选择哪个任务，我确信的一件事是，我们对太阳系及其形成及其在系外行星系统宇宙中的地位的理解每天都在变化。当你等待看到每次新的观测结果时，你胃里的那种忐忑不安的感觉——它永远不会消失。