尘埃弥漫的年轻恒星正在改变行星形成的规则

大约10万年前，当尼安德特人还居住在南欧的洞穴中时，一颗恒星诞生了。它诞生于金牛座分子云这个恒星工厂内，当时一团气体坍缩并被点燃。然后，剩余的物质开始冷却并在它周围凝聚，形成尘埃颗粒和朦胧的气体包层。

2014年9月，来自那颗炙热的年轻恒星及其周围环境的部分光线，落入了位于智利阿塔卡玛沙漠（地球上最干燥的沙漠）高原上的66个银色抛物面天线中。光子花了450年的时间才完成这段旅程。天文学家们一直在等待。他们正在对阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）进行测试，该阵列的无线电天线间隔可达15公里。由于天线之间有如此长的跨度，它们可以像高分辨率接收器一样工作，分辨出小于一毫米的低温物体。

当望远镜团队将ALMA对准名为HL Tauri的年轻恒星时，他们期望看到一片明亮的尘埃和气体模糊区域。然而，当ALMA的超级计算机将这些光子拼接在一起时，图像解析成一个具有清晰环状结构的圆盘，环状间隙似乎是由围绕中心恒星运行的小型、幼年行星蚀刻而成。它看起来像一个毛茸茸茸的橙色土星。它看起来不像天文学家以前见过的任何东西。

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“我一直在翻看他们的论文，心想，‘真正的图像在哪里？这显然是一个模型，’”马萨诸塞州阿默斯特学院的天文学家凯特·福莱特说。

研究人员捕捉到的是行星孕育地的照片——幼年行星正在HL Tauri周围的气体和尘埃盘中形成。这一观测标志着新兴的行星盘成像领域开始了一场革命。自那以来的四年里，天文学家捕捉到了许多其他系统的“婴儿照片”。这些行星形成区域展现出各种各样的模式。有些是整洁的椭圆形，轨道清晰如赛道。另一些则像微型星系，漩涡状的旋臂分支成开放的弧形。

最新的观测结果，包括4月和7月宣布的结果，揭示了正在被塑造的行星，尘埃和气体流入球状、炽热的幼年世界。

但随着年轻行星系统种类越来越多，研究人员正努力将他们的观测结果与当前关于我们太阳系和其他星系如何形成的理论相调和。自从天文学家开始发现遥远恒星周围的行星以来，这些观点一直处于动荡之中——现在这个名单上的行星数量已达数千颗。太阳系在靠近太阳的地方有岩石行星，在更远的地方有巨型气体球，但各种各样的系外行星不遵循任何整齐的模式。随着研究人员发现行星正在诞生的证据，世界构建的规则手册变得越来越复杂。尽管如此，天文学家们希望，见证这样的分娩阵痛将有助于阐明所有行星系统（包括我们自己的太阳系）是如何形成的。“我们在这些星盘中看到了各种各样的结构，即使在非常年轻的时候，”福莱特说。“甚至比我们传统上认为行星应该形成的时间还要早。”

碰撞与凝结

关于太阳系如何形成的普遍理论可以追溯到德国哲学家伊曼努尔·康德。1755年，他设想太阳和行星是由一片星云状的气体和尘埃云缓慢坍缩和扁平化而形成的。今天，被广泛接受的关于这一过程如何展开的通用模型认为，太阳在分子云（一个充满气体分子的恒星工厂）内部坍缩。在恒星形成后，会残留一个气体和尘埃环，冷却并逐渐凝结成更大的颗粒，然后变成更大的、小行星大小的天体，称为星子，最终变成行星。

自20世纪70年代以来，理论家们一直在完善这一过程的细节，考虑到太阳系中行星的分布以及陨石（太阳系形成过程中的碎屑）的化学成分。到21世纪初，他们已经确定了两种不同的制造岩石行星和气体巨星的方案（见“有吸引力的方案”）。

在一种称为核吸积的理论中，岩石物质猛烈撞击在一起，熔化、凝结并形成更大的天体，逐渐形成原行星——直径数千公里的紧凑胚胎世界。凭借其引力，原行星在行星盘中运行时，可以吸引大量的气体包层。这可能使它们变态为巨型行星的核心，例如木星；或者，它们的生长可能最终停滞在岩球阶段，就像地球、火星和其他类地行星发生的那样。

其他人则认为，太阳系的形成并非通过剧烈的碰撞，而是通过一种凝结的方式。在这种称为流不稳定的情景中，恒星周围的气体和尘埃迅速冷却并开始漂移，变得集中并在自身引力作用下坍缩。圆盘中厘米级的尘埃和冰形成聚集体，这些聚集体生长成1到100公里大的更大、更密的天体。然后，通过其他过程，这些天体生长成更大的行星胚胎，并最终形成行星。

但这些想法都不能完全解释我们看到的宇宙。以木星为例，它包含了太阳诞生时遗留下来的绝大部分物质。最大的问题之一是，这颗行星是如何快速地成长出一个足够大的核心，以吸走其大部分质量的；星子之间的碰撞需要数百万年的时间。但理论家们认为，围绕年轻太阳的“原始盘”气体和尘埃会在其形成后的100万到1000万年内消失，因为气体消散，尘埃螺旋状地落入恒星。（更复杂的是，美国宇航局的朱诺号探测器最近揭示，木星的核心比预期的还要大，这意味着形成过程一定非常迅速。）木星的位置也很难解释。自20世纪70年代以来，理论家们一直在推测，行星在形成或与其他新兴行星碰撞时，可能会从一个轨道迁移到另一个轨道。

行星形成理论的裂缝在21世纪初变得更加严重，因为其他行星系统的发现开始涌入。一些恒星拥有大型行星，这些行星只需几天就能完成绕恒星的轨道运行。其他行星在其宿主恒星周围的距离如此遥远，以至于木星看起来像是太阳的近邻。尽管随着硬件和软件的改进，模拟变得越来越复杂，但核吸积模型和流不稳定模型都不能很好地解释如此巨大的世界是如何形成的，以及它们与恒星的距离如此之远的原因。

2012年，出现了一种可以解释遥远行星的情景。瑞典隆德大学的天文学家安德斯·约翰森和米歇尔·兰布雷希茨设计了核吸积和流不稳定情景的变体。在他们的理论中，被称为卵石吸积，剩余的恒星形成物质组装成松散的尘埃和卵石集合体。已经形成的星子在其中游动，然后通过积累更多的卵石迅速生长，就像雪球在下坡时越滚越大一样。约翰森说，在这种情景中，行星将从恒星原始盘的边缘开始，并在向内迁移时收集卵石。根据世界之间的引力相互作用，它可能最终非常靠近其宿主恒星，或者远离它。天文学家认为，木星和土星可能在太阳系早期经历了这样的迁移。

卵石吸积作为一种解释HL Tauri等系统的方式，迅速获得了普及，HL Tauri系统的发光尘埃中蚀刻出的黑暗环，似乎孕育着不到10万年的行星。“这些黑暗环中可能存在年轻的行星，”俄克拉荷马州诺曼市俄克拉荷马大学的天文学家马修·克莱门特说。“这对我们来说确实具有启发意义。从某种程度上说，这是对行星生长非常快的肯定。”

总计

虽然卵石吸积可以解释行星如何快速变大，但它并没有为行星的种子——雪球的开端——最初是如何形成的提供太多见解。

挑战在于弥合厘米级尘埃颗粒与月球大小物体之间的差距。较早的模拟假设尘埃和气体一起移动。“当人们在历史上解决这个问题时，他们总是假设尘埃和气体完全锁定在一起，”帕萨迪纳市加州理工学院的天文学家菲利普·霍普金斯说。

他和他实验室的博士后研究员乔诺·斯奎尔一直在修改模型，将两者分开，探索原行星盘中的复杂相互作用，这些相互作用会导致气体像水流围绕漂浮在溪流中的木棍一样围绕尘埃颗粒旋转。这些重新定向的气流迅速变得湍流和不稳定，迫使尘埃像洪水碎片一样聚集在一起。霍普金斯说，这种建模可能有助于阐明星子聚集的基本原理。“这真的可能会改变故事。”

但当理论家们摆弄吸积卵石和漩涡气体时，另一个问题潜伏在幕后。2013年，伦敦帝国学院的天体物理学家苏班乔伊·莫汉蒂和现任英国卡迪夫大学天文学家简·格里夫斯发表了金牛座分子云中原行星盘的初步调查。他们使用的天文台不够强大，无法清晰地分辨出像ALMA在HL Tauri周围看到的那样的圆盘中的凹槽，但当研究人员统计出似乎存在的气体和尘埃量时，他们发现中等大小的恒星拥有的圆盘所包含的质量比预期的要少得多。

今年夏天，德国加兴欧洲南方天文台（ESO）的天文学家卡洛·马纳拉再次进行了观察，发现这种情况在整个银河系中都是如此。他发现，原行星盘的质量仅为类似恒星周围系外行星总质量的一小部分——有时甚至低至1%。这意味着行星系统比制造它们的物质还要大。

无论对这种看似不可能的情景作何解释，理论家们都将不得不认真对待其影响。为了解释系外行星的观测结果，他们通常从大量的物质开始。“你需要圆盘中有大量的质量，[以便它]对自身施加引力，像种子一样行动，并在自身上坍缩，”格里夫斯说。

这里可能还有更多肉眼看不到的东西。例如，圆盘中可能存在望远镜难以捕捉到的物质。或者，正如马纳拉和他的同事，法国尼斯蔚蓝海岸天文台的动力学家亚历山德罗·莫尔比代利所建议的那样，天文学家可能只看到了快照；恒星可能正在从原行星盘外部、从塑造它们的分子云中吸积新的物质。

这种盗窃行为可能很难被发现。但在2017年发表的研究中，欧洲南方天文台的天体物理学家颜和伟和他的同事描述了两股似乎与HL Tauri的圆盘相连的气流——尽管他们无法判断气体是流向恒星还是远离恒星。莫尔比代利说，如果气体流向恒星，那么流入的气体将产生广泛的影响，因为它也会影响圆盘的温度、密度和磁性等因素。发现这些流动的证据表明，恒星和行星在形成和生长过程中并非与更大的宇宙隔绝。“圆盘不是在一个盒子里的，”他说，“这也是我们对圆盘思考方式的一场革命。”

行星动物园

似乎理论家们已经有足够多的问题需要解决，行星孕育地的观测结果仍在不断积累。最新的发现为以下观点提供了支持：行星在恒星生命的早期形成，并且与恒星的距离差异很大。

而且，提供图像的不仅仅是ALMA。天文学家们还求助于安装在欧洲南方天文台甚大望远镜上的SPHERE仪器。它也位于阿塔卡玛沙漠，在ALMA以南约六小时车程的地方。SPHERE有一个可以消除大气模糊效应的系统，以及一个可以阻挡星光的滤光片。今年4月，天文学家宣布，他们使用它捕捉到了围绕八颗年轻类太阳恒星的各种各样的圆盘。有些像宽阔的盘子，有些有明显的赛道状椭圆形，还有一些像中心喷射出射流的星系。这种多样性表明，行星形成是一个复杂的过程，会产生许多可能的结果。

仅仅两个月后，消息传来，ALMA已被用于拍摄可能是有史以来最年轻的系外行星，这些行星围绕着一颗距离地球约100秒差距（330光年）的400万年恒星运行。ALMA在观察小型低温物体时最为敏感，它无法直接看到行星反射的星光。但是，恒星圆盘中一氧化碳气体的漩涡表明，有三颗行星——每颗行星的质量大约是木星的质量——正在轨道上运行，迫使气体绕着它们流动，就像岩石控制着溪流的流动一样。

不甘示弱的是，将SPHERE转向另一颗名为PDS 70的年轻恒星的天文学家，设法直接拍摄到了一颗气体巨星的图像。这颗行星绕其恒星运行的距离是木星绕太阳运行距离的四倍，并且仍在吞噬其原始尘埃和气体盘中的物质。这一观测证实了气体行星（如木星）在与恒星非常远的距离处形成的预测。

另一种仪器，双子座行星成像仪（GPI），安装在智利安第斯山麓的双子座南望远镜上，也一直在捕捉嵌入行星的圆盘，包括一颗巨大的气体巨星，它似乎支持行星形成的核吸积情景。随着更多观测结果的涌入，关于这些年轻的孕育地是否真的孕育着行星——而不是，例如，显示出圆盘中的不稳定性的挥之不去的疑虑正在被消除。“我们看到的所有特征几乎都可以很容易地用行星来解释，”在GPI工作的福莱特说。

但最新的发现也向天文学家表明，宇宙比我们最先进的理论所能预测的还要复杂和细节丰富。一些天文学家意识到，他们十年前所做的理论工作已经不再有效，但他们仍然不确定如何修复它。

“总是会有那个方面；我对过去所做的事情不再正确感到难过。但事实是，它从来都不是正确的，”法国波尔多天体物理实验室的天文学家肖恩·雷蒙德说。“但愿这是一个进步。”

观测可能在解决问题方面用途有限。ALMA和其他射电天文台可以看到年轻恒星周围的尘埃和气体，而SPHERE和GPI等光学仪器可以看到嵌入其中的圆盘和行星，这些圆盘和行星被反射的星光照亮。但是，微小的碎片和1000公里大小的世界之间的范围仍然是不可见的。

尽管如此，当前和未来的望远镜可能有助于填补一些空白。格里夫斯说，天文学家可以超越ALMA的毫米级视觉，达到厘米级范围，借助英国的默林阵列等望远镜以及即将到来的平方公里阵列（将设在南非和澳大利亚西部）进行更高分辨率的射电观测。这些观测可能部分弥合尘埃和原行星之间的差距。格里夫斯热切期待着发现厘米级物质围绕着未来可能成为岩石行星的物质旋转。“看到圆盘中的一个点表明一颗地球正在距其恒星类似地球的距离处形成——这至少对我来说是新的圣杯。”

由于对原行星盘的观测仍处于起步阶段，行星形成的完整故事可能比任何人预期的都要复杂，而且观点很可能会被推翻，然后再被推翻。“举个例子，太阳系似乎甚至不是最常见的系统。我们有点奇怪，”克莱门特说。“事实证明，那里存在着大量的复杂性。”

本文经许可转载，并于2018年12月4日首次发表。