原行星盤：行星誕生的搖籃

原行星盤的射電觀測新紀元

2014年9月，智利北部阿塔卡馬沙漠高原上新建成的阿塔卡馬毫米/亞毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，ALMA)進行了儀器測試，開展了持續的天文觀測。天文學家利用ALMA拍攝了一顆金牛座年輕恆星HL Tauri（距離我們約460光年）周圍的氣體和塵埃盤的圖像。

圖1.ALMA觀測HL Tauri的塵埃連續譜圖像

當ALMA的超級計算機將這些射電望遠鏡陣列接收到的光子拼接在一起時，發現HL Tauri附近的塵埃分布呈現一系列的清晰環形結構。這些環狀結構讓天文學家感到欣喜，因為這像極了行星形成理論所預言的場景——剛剛誕生的行星可以在圍繞在中心恆星周圍的原行星盤中蝕刻產生間隙。因而，ALMA揭開了原行星盤的射電觀測新紀元。

在此後的4年里，天文學家又陸續拍攝了許多其他年輕恆星周圍的氣體和塵埃盤的高解析度觀測圖像。這些高解析度的圖像一部分來自上述的ALMA望遠鏡，還有一些來自歐洲南方天文台(European Southern Observatory)甚大望遠鏡上的SPHERE儀器。

這些代表著行星形成區域的圖像呈現出了各種各樣的圖案：有些是整齊的橢圓盤中夾著清晰的環狀空帶，有些則像微型的星系那樣由旋臂組成開放的弧形。這些環繞恆星的原行星盤是行星的「搖籃」。

圖2.ALMA觀測到的20個原行星盤的240 GHz塵埃連續譜

行星系統的形成機制

這些豐富的行星形成區圖像有助於探索太陽系和其他系外行星系統的形成機制。

早期的理論如星雲假說(Nebular hypothesis)，無疑是最為廣泛接受的解釋太陽系形成與演化的模型。該理論最早由德國哲學家康德和法國數學家拉普拉斯提出，認為太陽和行星誕生於一團模糊的氣體和塵埃雲。

這個假說可較好地闡明太陽系行星軌道接近圓形和共面性及其運動方向與太陽自轉方向的一致性。康德和拉普拉斯的星雲假說雖然有一些局限性，但無疑是現代行星形成理論的雛形。

現今的天文學家一直致力於改進和完善行星形成理論的諸多細節問題。

目前廣泛接受的行星形成模型認為，分子雲坍塌導致形成恆星，氣體和塵埃則會在圍繞年輕恆星的原行星盤內殘留、冷卻，塵埃會逐漸凝結成更大的顆粒，然後長大生成類似於太陽系小行星大小的物體，稱為星子(planetesimal)，進而星子之間發生大規模的相互碰撞而形成更大尺寸的行星胚胎。

這些岩石抑或吸積大量氣體，形成類似木星的氣體巨行星，抑或直接成為類似於地球的岩石類行星。

質量決定個頭，氣態巨行星還是類地行星？

行星形成理論的一個關鍵環節是，像木星一樣的氣態巨行星必須在原行星盤氣體消散前形成，因為只有在原行星盤尚且存在的時候，行星方能吸積其中的氫氦氣體。

這種流行的行星形成理論通常被稱為核吸積模型：由固體物質組成的數千千米大小的星子首先形成，之後星子通過引力作用發生碰撞併合而不斷生長。

如果在原行星盤仍存在的時候能夠長成十多個地球質量的行星核，則可以觸發快速吸積氣體的過程，迅速長成木星或土星這樣的氣態巨行星。如果行星核無法在原行星盤存在時達到快速吸積氣體的臨界質量，則其最終演變成地球和火星這樣的類地行星。

基於對原行星盤和年輕恆星年齡的天文觀測，天文學家發現原行星盤的壽命大約為100萬~1000萬年。這表明行星核的形成過程非常迅速，在1000萬年內，完成從分子雲內的塵埃長到十多個地球質量的行星核，再生長到氣態巨行星這樣的完整過程。

10萬年：從塵埃到行星

原行星盤的觀測已成為現今行星科學研究的一個熱點。可是隨著觀測樣本的擴大, 又有新的挑戰出現在人們面前。這些行星具有不同的軌道和物理參數，呈現出多樣性和複雜性。這些多樣的系外行星在原行星盤中如何形成？

為了闡明上述行星形成理論的難點，天文學家提出了許多物理機制。在解釋塵埃如何快速聚集生長成行星核這個問題上，天文學家提出了流動不穩定性(streaming instability)和卵石吸積(pebbleaccretion)理論。流動不穩定性針對的是從塵埃變成千米級團塊的過程。原行星盤的氣體盤做著圍繞中央恆星的流體運動。在這個過程中，氣體盤和盤中的塵埃迅速冷卻，塵埃在氣體盤內快速漂移，並在自引力的作用下聚集並坍塌，從厘米級塵埃或冰長成 1~100km的高密度聚集體，成為構建行星核的基礎。

卵石吸積理論試圖解釋氣態巨行星內部十多個地球質量的行星核的形成過程。根據該理論，原行星盤中有大量在恆星形成時期生成的塵埃和卵石。原行星盤中的星子形成後，與氣體盤的角動量交換將使其發生軌道遷移，逐漸接近中央恆星或者遠離中央恆星。

在星子的軌道遷移過程中，它將通過引力吸積盤中的塵埃和卵石，像滾雪球一樣迅速變大，長成構建氣態巨行星的內核。太陽系的木星和土星有可能在早期經歷了卵石吸積過程。原行星盤內的星子和行星胚胎與氣體盤的相互作用也是行星形成理論中的重要一環。

一方面，星子和行星胚胎在氣體盤內與氣體盤交換角動量，發生接近或遠離中央恆星的軌道遷移。另一方面，對於質量足夠大的行星，它的希爾半徑可以超過氣體盤的厚度；相對於行星的引力勢而言，氣體盤很薄，此時行星可以在氣體盤內打開一個空帶，行星和它在盤內打開的空帶一起遷移。

觀測到的各個原行星盤的環形結構和氣態巨行星在氣體盤中打開的空帶很像。這表明，如果這些系統中的環狀結構確實是由年輕的行星產生的，說明行星的生長速度確實非常快，類似於木星大小的氣態行星則可在10萬年的時標內生成。

雖然觀測到的各種原行星盤結構成因可基於行星和盤的相互作用來解釋，但是天文學家依然不能確定行星是否是產生這些結構的唯一可能。

一方面，原行星盤中的不穩定性也可以在原行星盤中產生多種多樣的複雜結構。另一方面，行星形成理論遠比260多年前康德所預測的要複雜，而且細節更為豐富。天文學家意識到深入理解原行星盤和行星的形成與演化過程仍然需要大量的理論研究工作。

最近的理論工作表明，原行星盤本身的流體不穩定性亦可以產生大尺度的結構特徵。另外，原行星盤本身的物理性質，比如黏滯度和磁場性質等，也對其呈現出的結構有決定性的影響。

展望未來更多望遠鏡加入到原行星盤的觀測中

更多的原行星盤觀測結果可以幫助行星形成理論快速發展。除了ALMA之外, 位於智利安第斯山的Gemini Planet Imager也加入到觀測原行星盤的陣營。在不久的將來，等到具有更高解析度的射電干涉陣落成後，這個觀測隊伍會進一步壯大。

建設中的射電干涉陣包括英國的梅林(Merlin)陣列望遠鏡，位於南非和澳大利亞西部的Square Kilometer Array，以及美國正在預研的下一代甚大天線陣(NextGeneration Very Large Array)。

這些射電陣列將填補目前的一些觀測空白，比如它們可以觀測到厘米波段的信息，從而得到原行星盤中厘米級物質顆粒的分布圖像。這樣的厘米波圖像有助於天文學家深入理解從塵埃生長到星子的中間過程。下一代甚大天線陣在HL Tauri的距離（約460光年）處的解析度可以達到0.5個天文單位，它將有能力探測星子區域的物理環境，還可以分辨年輕行星在原行星盤形成的密度擾動。

針對原行星盤的研究方興未艾，未來更高解析度的觀測研究將更清晰地揭示原行星盤的特徵。在行星形成研究方面，雖然天文學家基於已有的觀測樣本發展了有關理論，但由於牽涉到原行星盤複雜的物理和化學過程，仍然有許多細節需要不斷完善。

可以預期，伴隨著未來空間和地基觀測項目的開展，將會獲得更加豐富的觀測數據，原行星盤和行星形成的研究必將邁入一個蓬勃發展的新階段。這些研究不僅有助於揭開一般行星系統形成演化的「謎團」，亦為太陽系自身的起源演化提供重要科學線索。

來源：中國科學院紫金山天文台，語音合成技術由科大訊飛提供

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