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  Adam Frank 文 Shea 编译

  围绕其他恒星的尘埃盘中的神秘缝隙也许可以解释我们太阳系的样子。

  天文学家已经发现了300多颗围绕其他恒星公转的行星。太阳系有着数颗靠近太阳的岩质小型行星和靠外的大型气态巨行星,但这些新发现的行星系统中有许多却和我们大相径庭。天文学家发现,在这些系统中“热类木星”到其宿主恒星的距离比水星到太阳的还要小。其他的外星行星则会在长长的类似彗星的轨道上绕恒星公转,而并非像太阳系中的行星都位于近圆的轨道上。

  太阳系外行星世界的这一多样性着实让几乎所有的天文学家都倍感吃惊。有一个根本问题让他们一直冥思苦想,那就是“为什么这些行星系统会是这个样子?”

  要回答这个问题就需要回到它们的起源。如果天文学家想知道为什么以我们的标准这么多外星行星系统是如此得不可思议,那么他们就需要了解行星最初是如何形成的。但由于行星的形成和恒星的形成是交织在一起的,因此要解决这一问题相当的困难。

  年轻恒星和行星之间的关键联系是一个由螺旋转动的气体和尘埃组成的吸积盘。在斯皮策空间望远镜的帮助下,天文学家已经能探测年轻恒星周围行星的形成。

  虽然无法对这些行星直接成像,但天文学家可以根据它们在吸积盘中“开凿”出的缝隙或者空洞的光谱特征来推断出它们的存在。对吸积盘的探测再加上计算机模拟为我们提供了对太阳系早期演化过程的重要认识。

  旋转的托儿所

  年轻的恒星形成于广阔但又“动荡”的气体、尘埃云中。纵观整个星云,会向内拉动气体的引力和能使得气体膨胀的压力之间保持着暂时的平衡。然而,在一些地方引力最终会在这场拉据战中胜出,于是那一小块星云就会开始坍缩。在这团星云的中心,密度和温度为持续升高,直到触发核聚变反应点燃一颗新的恒星。

  由于其母星云中本身存在的翻滚和湍流运动,当其余的气体继续落向这颗恒星的时候,它们也会开始转动。就像一个花样滑冰运动员收回她的手臂来提高自身的转速一样,随着星云的收缩,坍缩的气体也会越转越快。最终,气体会转动得足够快,使得它不再下落并且停留在围绕这颗新生恒星的轨道上。对于靠近星云自转轴的气体来说,由于它们的转速很小,因此会继续向中央恒星下落。最终的结果就是形成一个气体、尘埃盘。

  [图片说明]:猎户星云(M42)中的稠密气体和尘埃正在孕育大量的恒星。只要条件合适其中许多年轻恒星的周围会形成盘和行星。版权:NASA/ESA/M. Robberto (STScI/ESA)/the HST Orion Treasury Project Team/L. Ricci (ESO)。

  这个盘的内部条件正好适合形成新的行星。尘埃粒子的碰撞会形成碎石,碎石间的碰撞会形成岩石,岩石间的碰撞则会形成巨石,这一过程一直持续下去最终就会形成行星。一旦这颗行星变得足够大,它就会开始反过来对盘施加影响。

  形成缝隙

  天文学家通过探测行星对其宿主恒星运动或者亮度的微小扰动发现了绝大多数的太阳外星行星。但不幸的是,这些方法都不适用于尚处于襁褓中的行星。为了找到它们,必须要探测这些新生行星对于其母盘的作用。

  吸积盘中一颗新诞生的行星会对其产生深远的影响。吸积盘并不是一个类似光盘那样转动的固体盘。靠近中央恒星的气体会比外围的转得更快。这对于刚形成的行星也是如此,它的公转速度比盘内部的物质要慢,但比外部的要快。

  在行星的引力和行星以及周围气体转动上的差异共同作用下就会产生会向外传播的激波。而转速上的差别又会使得激波出现螺旋形的形状。

  [图片说明]:当行星在恒星周围的气体、尘埃盘中形成的时候,它们会在其中形成缝隙。版权:NASA/JPL-Carltech/R. Hurt (SSC Caltech)。

  在这颗行星诞生之后,“螺旋波”仍然会游历在吸积盘的物质中,把气体带离行星。如果新生的行星足够大,它就会在盘物质中清理出一条较宽的缝。

  假如把木星放到地球的轨道上,那么它会在吸积盘中清出一条内起金星、外至地球到火星一半距离的盘缝。行星开凿出的盘缝非常大,完全可以从地球上观测到。这是一个好消息,因为找到一条盘缝就意味着找到了一颗行星。

  寻找盘缝

  目前所发现的许多正在形成行星的盘都得益于地球轨道上的尖端红外望远镜,例如斯皮策空间望远镜。红外光的波长要比可见光长,从而使它可以畅通无阻地穿行于浓密的气体中,而可见光则做不到这一点。年轻恒星及其周围的盘都被稠密的含尘气体包裹着,因此“斯皮策”异常灵敏的红外线探测器就成为了在这些盘中寻找缝隙的绝佳工具。

  早在1992年哈勃空间望远镜就拍摄到了原行星盘。但是,这些恒星以及它们的行星都太“成熟”了,年龄在一亿年上下。恒星周围如此年老的盘中含有更多的是尘埃残骸——早期行星形成过程结束之后的残留物。

  有着刚刚形成或正在形成行星的最年轻恒星——年龄只有几百万年——则太年轻了,今天的望远镜无法对它们进行直接成像观测。于是为了更好地探测这些初生的系统,天文学家不得不依靠寻找盘和缝的光谱特征这一间接方法。

  光谱使得天文学家能看清天体在不同波段上辐射的大小。一个年轻行星系统的光谱特征既包含了年轻恒星的信息也包含了其周围气体、尘埃盘的。其中年轻恒星的贡献主要集中在可见光和紫外线这些波长较短的波段上,而盘发出大部分辐射则集中在的红外波段。

  即使我们无法直接“看到”年轻的原行星盘,但红外光谱依然能告诉我们想知道的。计算显示,一个连续的尘埃盘会在恒星的红外光谱中形成一个驼峰状的“突起”。一个有缝隙或者中空的盘也会在光谱中造成“突起”,不过这个“突起”位于光谱中一个下凹的“山谷”中。这个“山谷”对应的正是由于盘缝的存在从而导致的红外辐射缺失。

[图片说明]:计算机模拟的盘缝形成过程。版权:Philip Armitage。

  搜索盘缝

  天文学家利用斯皮策空间望远镜观测了数百颗年轻恒星的光谱,以此来寻找吸积盘和盘缝。他们很快就有了发现。大约一年之后,他们发现至少有五颗恒星具有“山谷中突起”的光谱特征。

  天文学家把它们称为“过渡盘”。它们代表的是介于早期“喂养”恒星、富含气体的吸积盘和围绕已成形恒星、仅还有尘埃的残骸盘之间的中间类型。

  理论家们也紧跟在天文观测之后。因为新的更为详细的数据要求更好、更精确的模型来解释过渡盘。

  新的问题

  有这样一个问题摆在天文学家眼前,那就是行星的质量和由它所造成的盘缝之间有什么关系。通过计算机模拟发现,行星的质量越大,所产生的环缝就越宽,环缝壁也越陡峭,反之亦然。

  那么这些结果又能如何指导天文学家目前和将来的观测呢?在有关的研究中,天文学家发现正在智利建造的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波射电望远镜阵列也许在未来可以直接看到这些盘缝。

  其他的研究则专注于行星盘缝隙中的物质。盘中的物质要花多长时间才会掉入中央恒星,从而把一条孤立的盘缝转变成一个巨大的“甜甜圈”?

  初步计算表明整个过程可能需要数十万年的时间,但随后的计算机模拟显示内盘掉入恒星的速度可以比这个快大约10倍。在大量的研究之后天文学家得出结论,螺旋波会把内盘有力地推向恒星。

  大辩论

  新的结果总会引发新的问题,这也正是科学家的乐趣所在。虽然有的天文学家提出行星形成会造成盘缝以及甜甜圈状的孔,但并不是每个人都对此表示同意。

  例如,有人提出行星和盘缝之间毫无瓜葛。他们认为中央恒星的辐射蒸发了盘中的物质。由于盘中的气体被加热,它们就会从盘的表面蒸发并永远消失在太空中。最终,整个盘会消散,只留下已经成形的行星和尘埃残骸。有人提出了另一种可能,吸积盘中的湍流会逐渐清除最靠近恒星的尘埃并最终在那里形成了一个空洞。

  [图片说明]:行星也可以形成于有四颗恒星的系统中。在这幅四星系统HD 98800的概念图中,一个双星系统位于行星盘的中央,另外两颗恒星则位于外围。版权:NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC-Caltech)。

  另一方面原行星盘中气体和尘埃之间的关系也存在不确定性。“斯皮策”上的探测器只能告诉我们有关尘埃的情况,因为只有它(而不是气体)会发出的红外辐射。天文学家通常认为,只要有尘埃就会有更多的气体。但唯一能检验这一假设的办法就是在不同波段上对它们进行不同的观测,因为气体发出的辐射主要集中在射电波段。但这些观测目前还难以实现。与此同时,在盘缝中可能只是尘埃被清除了而气体仍然存在。

  虽然有这些疑问,但大多数天文学家还是形成了共识,尘埃和气体是彼此相联的,而新生的行星则是在吸积盘中开凿出空洞的“元凶”。但就此下结论还为时尚早。这也正是科学的运转方式。只有天文观测结果才能解决所有的争议。新的望远镜也许可以一劳永逸地让这场辩论尘埃落定。

  毋庸置疑的一件事情是过渡盘在研究恒星和行星形成中的重要性。天文学家现在知道,行星必须形成于围绕年轻恒星的尘埃盘中。尽管最近的观测已经揭示出了过渡盘的大量细节,但有关的努力才刚刚开始。对于天文学家而言,这意味着更多的工作和乐趣。

   扩展阅读斯皮策空间望远镜5年之科学成就2009年5月15日,美国宇航局的主力红外空间望远镜“斯皮策”终于耗尽了它最后一滴用于制冷的液氦,结束了为期五年的“低温”使命。让我们跟随它一起去探访那些宇宙隐藏的角落……

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