科学家想看见遥远行星如何形成难度超乎想象

2018-09-20 14:38
网易科技

　　据国外媒体报道，长期以来科学家们都试图在围绕恒星运行的原行星盘中找到年轻行星存在的迹象。这有关于行星形成的基本问题，也能够解释地球如何诞生。然而，在现有的技术条件下，其难度就像发现远距离聚光灯下的萤火虫一样困难。

　　在过去的两个半世纪里，科学家们设想了行星系统（包括我们自己的地球）的起源，主要集中在一个特定的场景上：围绕着一颗新生恒星旋转的圆盘，行星逐步从气体和尘埃中形成，就像陶轮上的粘土一样。

　　但是就验证这个想法而言，科学家在现实中是否能够通过观测旋转物质，从而发现一颗系外行星聚结物？然而并没有那么好的运气。 “现在，大家都说行星是在原行星盘中形成的，”亚利桑那大学天体物理学家董若斌（音译，Ruobing Dong）说，“从技术上讲，这句话只存在于理论当中。”

　　过去几年的研究进展表明，这不会长期停留在理论层面。科学家组成的研究团队利用安装在巨型地面望远镜上的第二代仪器，终于揭开了一些原行星盘内部区域的神秘面纱，发现了意想不到的神秘图案。

　　今年4月11日，欧洲南方天文台发布了8张围绕年轻类日恒星旋转的原行星盘图像，或许能够简介说明我们自己的太阳系在形成初期看起来是什么样子。

　　这些图像虽然没有显示出行星发出的清晰光点，但是其他迹象却间接暗示着行星可能孕育其中。有些原行星盘就像黑胶唱片一样，其间的螺旋、裂缝似乎留有年轻行星存在的印记。而其他照片中，恒星的光芒照亮了行星盘的顶部和底部，形成类似溜溜球的结构。

　　如果天文学家能够在这样的地方找到一颗胚胎行星，那么对天文学的影响将是深远的。其不仅能够证明天文学最根深蒂固的观点之外，对行星形成的位置以及大小进行的精确测量也有助于明晰行星的起源问题。

　　一种被称为核心聚积的行星形成理论认为，行星的形成非常缓慢，主要在岩石核心周围以及靠近恒星的区域凝聚。而另一种理论则认为原行星盘中的引力分布并不均衡，意味着可以很快聚合起巨大的行星，从而远离恒星。目前，这些想法可以用来测试我们的太阳系内和太阳系外当前行星的分布情况。但是，在行星有机会迁移和重新排列之前，他们从未研究过相应进程。

图示：一个巨型行星似乎潜藏在一个名为CS Cha的系统中。

　　这为研究行星形成系统的天文学家们带来了一个尚未解决的一致性问题。观测宇宙中那些昏暗，遥远，凌乱的原行星盘，找到孕育中的行星。最后，经过几个世纪的预测和构想，开始解开在宇宙中创造无数世界的基本过程。

　　直接探测

　　当你在原行星盘中寻找行星时，很容易让自己相信正在看着它们。研究这些原行星盘的天文学家已经发现了许多隐藏在其间的光斑。例如就在5月6日，一个国际团队报告称，一个巨型行星潜藏在一个名为CS Cha的系统中。但现在这些光斑仍然只是行星的潜在候选者，而不是被证实的真实世界。

　　“我们处于技术的最前端，”阿默斯特学院的天文学家凯瑟琳⋅福莱特（Katherine Follette）说，“对于嵌在原行星盘中的行星而言，其中每一个都存在巨大的争议。”

　　这种模糊性与那些让这些行星变得特别的混乱环境密切相关。

　　天文学家使用的最先进探测仪器是SPHERE，这是一个由巨大天文望远镜组成的大型探测仪器，安装在智利阿塔卡马沙漠中，捕获到了最近8张原行星盘图像。另一个先进仪器是安装在智利山区的双子星行星图像仪（GPI），也是福莱特的工作地。

　　两者都是为了捕捉恒星周围行星的光子而设计的，和大多数研究系外行星的技术有所不同，这些设备更依赖于间接信号。这两种设备都能够根据观测结果生成最容易解释的数据。

图示：围绕着TW - Hydrae的原行星盘中拥有可能隐藏行星的光环裂缝。

　　这些设备需要特殊的方法从明亮的恒星周围辨识出行星发出的微弱光芒，就像是在距离很远的聚光灯边缘发现一只萤火虫一样。科学家在设备中采用了自适应光学技术，这是一种跟踪大气波动的技术，然后实时扭曲仪器的光学系统进行补偿。这可以消除地球大气中的扰动，使夜空中采集的图像达到更高的分辨率。他们也会使用日冕仪等设备来挡住恒星发出的光芒。

　　图示：过去几年来，福莱特和同事们一直试图分析这些错误信号。他们还研究了令人困惑的行星候选者，其中一些行星候选者似乎和普通行星不太一样，并没有根据开普勒运动定律围绕恒星旋转。

　　最重要的是，这些寻星相机还采用了另一种称为差分成像的技巧。例如，SPHERE通过不同的偏振滤光器同时拍摄两幅照片。星光本身并不会发生偏振，所以图像中的两颗恒星看起来都是一样。它可以被抵消。但是当光线散射时，它会发生极化，这使得天文学家可以将那些从原行星盘或行星上反射的光线凸显出来。

　　然后计算机算法会对剩下的光点进行检索。但是当在原行星盘中寻找行星时，这些算法可能会将星簇和星云与行星混淆在一起。

　　过去几年来，福莱特和同事们一直试图分析这些错误信号。他们还研究了令人困惑的行星候选者，其中一些行星候选者似乎和普通行星不太一样，并没有根据开普勒运动定律围绕恒星旋转。

　　与此同时，还有另外一条寻找孕育中行星的路径正在平行展开。虽然SPHERE和GPI并没有明确发现一个成形的新世界，但他们已经成功地获得了最原始的原行星盘本身的图像。

　　最后经过仔细观察，这些原行星盘承载着一种可能与行星形成有关的奇异特征。“这已经完全改变了游戏规则，”加州理工学院天体物理学家康斯坦丁⋅巴特金（Konstantin Batygin）说，“这是革命性的。”

　　图示：围绕年轻恒星的原行星盘有多个同心环。天文学家认为，新形成的行星正在形成这些复杂的结构。

　　问题在于将这些特征与假定的行星联系起来并非易事。“我们往往把原行星盘看作行星形成的标志，”福莱特说，“但是即便如此，我们还不知道该如何解释。”

　　螺旋摇篮

　　2012年，天文学家首次观测到一种引人注目的模式。至少六个原行星盘中，似乎有一些气体和尘埃形成了像螺旋星系手臂一样的东西。

　　天体物理学家主要有两个观点来解释这些旋臂是如何形成的。两者都借鉴了几十年来的星系螺旋理论。根据这个理论，围绕新生恒星旋转的气体和尘埃开始逐步聚积。然而，开始必须有因素触发。

　　天文学家们已经提出，在恒星周围的原行星盘中——这些原行星盘的重量至少是恒星的四分之一——重力不稳定性可能会导致气体和尘埃堆积成螺旋状臂。但研究人员发现许多形成螺旋状臂的原行星盘似乎远低于这个质量阈值，暗示另一种机制可能正在起作用。

　　也许是一个隐藏的因素。 2015年，由亚利桑那州天体物理学家董若斌（音译，Ruobing Dong）领导的一个研究小组开展了模拟研究，展示了一个比木星稍大的巨大行星也能触发螺旋臂。这颗行星位于一只旋臂的顶端，并沿着行星围绕着恒星的轨道拖动螺旋臂。如果事实是这样的话，每一个螺旋臂就像是一个巨大的箭头指向该领域的最终目标——一个正在孕育形成的行星。

　　2016年，董的团队发现了一个证据，证明这些螺旋臂可以由一个巨大的星体引发。在这种情况下，围绕恒星HD 100453的触发物体是一颗矮星，其比行星更容易被发现。这颗矮星是相关概念的佐证，“之后，人们开始更加相信模型，”董说。

　　在螺旋臂的顶端找到一颗行星就会达成共识，但天文学家仍在等待这一天的到来。最近《天体物理学杂志》上发表的一篇论文中，由约翰霍普金斯大学研究员任斌（音译，Bin Ren）领导的研究小组收集并分析了十多年来MWC 758螺旋变化的数据。

　　任的分析显示，在这段时间内，整个原行星盘可能略有旋转，每年大约为六十分之一度。任推测这种旋转源自旋臂顶端的一颗巨大行星，其大约600年绕恒星运行一周。如果真的是这样的化，这样一颗行星仍然处于隐藏状态。

　　当然，即使螺旋确实与行星有联系，它们也不会指向所有的新世界。在模拟中，只有巨大的行星足够吸引螺旋图案的指向。而更小的行星将不得不通过其他手段被发现，而且并不是所有的原行星盘都有螺旋线。

图示：围绕恒星MWC 758的旋臂可能是由一个巨大的行星在一条旋臂的顶端形成的。

　　例如，类日恒星周围的原行星盘普遍没有螺旋臂。（海德堡马克斯普朗克天文学研究所的亨宁阿文豪斯指出，这表明在螺旋形成的过程中，更多大质量恒星来的效率会更高。）但是这些原行星盘却展示了其他更有价值的东西：裂缝。

　　裂缝中的行星

　　2014年秋天，天文学家智利安第斯山脉的无线电天线ALMA，他们决定在他们所能找到的最大原行星盘上进行训练。后来，当ALMA用于探测一个名为HL Tauri的系统时，产生了包含空白间隙和厚环的图像，后来在一次ALMA内部会议上展出。

　　“会议的剩下时间我们都在讨论HL Tau，”智利迭戈波塔勒斯大学天文学家卢卡斯⋅谢萨（Lucas Cieza）说。与会的科学家们反复争论这些裂缝是否是由行星产生的。 ALMA科学家后来研究了另一个名为TW Hydrae的系统图像，这些系统在更高的细节上显示出类似的裂缝。但是这两个系统都无法解决裂缝是由行星还是其他因素造成的问题。 “争论仍在进行中，”谢萨说。

图示：ALMA天文台的66根天线在智利安第斯山脉的Chajnantor高原上空搜索夜空。

　　就像螺旋一样，行星和其他效应都可以形成裂缝。一颗行星可能会在数千年至数百万年的时间里创造出一道裂缝。当它绕着公转轨道运行时，其引力既会将原行星盘中的物质拉向自身，也会将这些物质从原有的运行轨道上分散开来，留下一道裂缝。

　　这种引力的侵蚀效应是累积的。加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)天体物理学家杰弗里⋅冯(Jeffrey Fung)表示，虽然形成螺旋需要比木星更大的行星体，但海王星，甚至于地球大小的行星就足以形成明显的裂缝。

　　“所有这些行星都有可能制造出足够大的裂缝，我们可以用今天的仪器轻松观察到这些裂缝，”他说。至关重要的是，这些裂缝可能是研究小行星形成的唯一短期机会，在原行星盘上直接观测到这类小行星远比发现木星大小的行星更困难。

　　除了行星之外，还有什么能够造成这些裂缝呢？原行星盘的磁场可能会形成湍流区域，从而将其中的物质从变成空的磁性“死区”中清除出去。而化学物质的突然变化也可能会导致类似于行星产生的裂缝。例如，一个星系的雪线往往标记着内外行星盘的界限。在炽热的内部，水以水蒸气的形式存在，而在外部行星盘则是以固体形式存在。诸如一氧化碳和氨等化合物也会出现类似的变化。