行星是這樣形成的?
2020年12月27日11:35

  來源:中國國家天文

  關於行星系統是如何形成的,以及形成過程與我們現在的太陽系有什麼樣的聯繫,是天體物理學中最為基礎的問題之一,也是破解我們在宇宙中的地位之謎的關鍵一環。

  近年來,得益於開普勒望遠鏡等系外行星搜索項目的成功,我們已經對宇宙中無處不在的行星系統感到習慣了。然而就在幾十年前,我們甚至還不知道太陽系以外是否存在其他行星。那時的天文學家只能用唯一已知的行星系統,也就是我們的太陽系,來構建對於行星形成的認識。

  行星繈褓

  這張藝術創作中,年輕的恒星周圍帶有一個由氣體和塵埃組成的原行星盤,行星正孕育其中。

  我們的太陽系秩序井然,所有的行星都在一個扁平的平面上運動,軌道之間留有足夠大的空間。不同類型的行星涇渭分明,內側是岩石構成行星(水星、金星、地球、火星),外側是由氣體和冰構成的巨行星(木星、土星、天王星、海王星)。正因如此,我們曾經以為:小型的、類地的行星必定會靠近它們的主星,而大個頭的、氣態的行星必定會位於外側。我們曾經認為,任何關於行星形成的理論都必須要進行仔細的調節,來得到這樣的構造。

太陽系行星示意圖
太陽系行星示意圖

  但是,現在我們已經知道,如果一個模型只是基於太陽系這唯一一個系統構建的,那麼必定會走上歧路。

  自二十世紀九十年代中期發現第一顆系外行星以來,行星系統的多樣性不斷地刷新我們的認知,比如有的行星是環繞兩顆恒星運動的(例如Kepler-16b),而不是一顆;有的行星質量和木星差不多,軌道週期卻只有幾天(例如Kelper-435b)。我們所居住的太陽系構造規律並不像當初所想的那樣放之四海皆準。

  DSHARP

  這是天文學家用ALMA拍攝的一些原行星盤中塵埃的照片,可以看到縫隙和環狀結構很常見,這表明可能正在形成行星。

  要想理解行星是如何形成的,我們不能只依賴太陽系這一個系統。天文學家通過分析比太陽年輕得多的恒星周圍正在形成的行星觀測數據,來追溯行星形成的規律。但是即便如此,除了少數幾個特例之外,我們也無法直接觀測到正在形成中的行星。原因是由於行星發出的輻射與主星以及所在的氣體和塵埃盤比起來還是太暗了。所以天文學家轉而在這些原行星盤中搜尋行星正在形成的間接證據。

  縫隙中的行星

  PDS 70b是目前SPHERE拍攝到的唯一一顆在原行星盤中開闢出縫隙的行星。

  原行星盤的觀測和太陽系外行星類似,在近年來也得到了蓬勃發展,湧現了很多高水平的觀測成果。雖然有一些細節仍然不清楚,但是有一點卻愈發明確,那就是系外行星所展現出的豐富的多樣性,很可能早在形成初期就已經深深根植於它們所誕生的原行星盤里了。

  / 傳統故事

  18世紀的學者如康德(Kant)和拉普拉斯(Laplace)等人,普遍認為太陽系中的行星是在太陽早期周圍的一個扁平的盤中誕生的。這個盤稱為原行星盤,是恒星形成過程中天然產生的,因為大團的氣體和塵埃雲會發生坍縮形成原行星,由於角動量守恒,其餘的物質就形成了原行星盤。

原行星盤是如何形成的
原行星盤是如何形成的

  20世紀末期,廣泛接受的理論是原行星盤中的塵埃顆粒會互相碰撞、粘連在一起,構成岩石狀的天體,稱為“星子”。這些星子會持續不斷地長大,最終成為行星核。如果行星核生長得足夠快、質量足夠大,就會把盤中賸餘的氣體攫取過來,成為像木星和土星這樣的巨行星;而如果行星核的質量不夠大,就會形成比較小的、由岩石構成的行星,例如地球。

  這種理論框架可以很自然地解釋為什麼太陽系行星可以分為兩種,即內側較小的行星和外側較大的行星。因為原行星盤的外圍包含的物質更多,並且更容易聚集到一起。這是因為外圍距離太陽比較遠,溫度比較低,所以塵埃顆粒上含有更多的冰質成分,在相互碰撞時就更容易粘在一起(想像一下雪很容易滾成雪球,而乾燥的泥土或沙石則不然)。

  事實上在恒星形成區中,確實差不多每顆年輕恒星周圍都帶有一個原行星盤。不過,隨著原行星盤的觀測不斷完善,我們也驚訝地發現,它們和系外行星一樣具有複雜的多樣性,對傳統的行星形成理論中的某些關鍵部分構成了巨大的挑戰。

  / 愈發清晰的圖像

  近年來,有兩台儀器告訴了我們許多之前從未看到過的原行星盤的細節,這兩台儀器分別是阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array ,ALMA),以及光譜-偏振高對比度系外行星探查者(Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research,SPHERE)。這兩台儀器所進行的觀測截然不同,但是它們所獲得的數據相互補充,大大增強了我們對行星形成的認識。

  另一個波段下的原行星盤

  智利甚大望遠鏡上的SPHERE成像儀器可以擋住中心恒星的光,對恒星周圍的塵埃盤反射的星光進行直接成像。照片顯示這些盤的大小和形狀各不相同。

  ALMA由超過60面天線組成,散佈在智利阿塔卡馬沙漠中直徑達16千米的區域內,組合起來工作,相當於一面非常大的單口徑射電望遠鏡,可以在無線電波段獲取高靈敏度、高解像度的圖像。而SPHERE是一台極端自適應光學系統,安裝在位於智利帕瑞納山的甚大望遠鏡(VLT)上,它能夠提供光學和近紅外波段的高分辨、高對比度圖像。

  借助ALMA的高分辨圖像,現在我們已經知道,行星盤中的塵埃分佈並不像盤表面那麼光滑,而是經常存在很多同心的縫隙和環狀結構。這些結構中有一些可能是正在形成中的行星製造出來的,因為行星在沿著軌道運動時會在塵埃盤中開闢出一條通道。根據盤中的結構,我們就可以用詳細的計算機模擬來推算出行星的質量。除了這些同心縫隙和環狀結構以外,ALMA還探測到了塵埃分佈中有許多漩渦、旋臂、以及巨大的空心內腔等結構,這些都可以用不同軌道和大小的行星來解釋。但是要想直接觀測到這些正在形成中的行星卻極端困難。SPHERE只探測到了其中的一個,即PDS 70b 。

  儘管ALMA和SPHERE提供了前所未有的高解像度圖像,對於絕大部分原行星盤來說,我們仍然無法探測到相比木星軌道更靠近恒星區域,也就無從得知地球這樣的行星是如何形成的。

  / 雪線有話說

  我們到目前為止只討論了原行星盤中的塵埃成分,因為它們比較容易觀測。然而氣體占到了原行星盤全部質量的99%,並且在行星形成的很多關鍵物理過程中佔據了主導作用,主宰了行星核和大氣的化學組成,並且對生命的起源和行星宜居性有著深遠影響。

  氣體的主要成分——氫氣(H2)很大程度上對我們來說是看不見的,因為原行星盤的大部分溫度都太低,無法激發氫分子的輻射。直到ALMA開始工作後,我們才開始能夠詳細地研究原行星盤的化學性質。

  ALMA時代的一個主要研究焦點就是雪線。雪線是原行星盤中的溫度發生轉變,使某種化學成分(例如水、二氧化碳、一氧化碳等)從氣態凝結成固態的位置。雪線對行星形成來說舉足輕重,因為它們決定了原行星盤不同位置形成不同的行星種類。

  原行星盤的組成

  在原行星盤的中心,星光驅散了塵埃,只留下一個充滿氣體的空洞,圍繞在恒星周圍。這些氣體不斷地吸積到中心恒 星上。在比較遠的地方,塵埃聚集在一起,並且沉澱在盤面。在雪線以外,冰的存在會讓塵埃顆粒變得比較粘,從而加速了巨行星的生長。

  例如,水分子在水的雪線以外凝結成了固體顆粒,不僅能夠為行星的核心提供固態原料,也能讓顆粒變得更粘、更容易生長。這種效應也表現在我們的太陽系,太陽系的雪線以內是類地行星,雪線以外是巨行星。雪線也能夠決定行星核以及大氣的化學組成。例如,在溫度較低的外盤形成的巨行星,大氣中就比較缺乏容易揮發的化學成分,例如水和一氧化碳,因為這些成分已經凝結成了固體,被鎖在了行星的核心。

  因此,我們能夠利用行星大氣的化學成分來研究行星是在哪裡形成的,是否發生了遷移過程,運動到了當前的位置上。

  / 醞釀一顆行星

  天文學家正在研究的一個重要問題是行星形成的速率有多快。

  二十一世紀初期,斯皮策紅外望遠鏡進行的大規模巡天表明,幾乎所有年齡為100萬年的恒星都帶有原行星盤。但是年齡為500萬年的恒星,只有20%帶有原行星盤,而對於年齡為1000萬年的行星,這一比率下降到只有5%,除此之外別的恒星周圍的盤都消失了。因此天文學家認為大部分行星都是在最初500萬年以內形成的。這是一個非常嚴格的時間尺度,因為理論模型必須要在這麼短的時間內產生出行星。不過ALMA和SPHERE最新的觀測結果表明,行星形成的過程甚至比我們基於斯皮策望遠鏡得到的結果還要快一些。

金牛座HL周圍的原行星盤
金牛座HL周圍的原行星盤

  最明顯的例子是金牛座HL周圍的原行星盤,這也是ALMA使用全部解析能力拍攝的第一幅原行星盤的照片。這個系統的年齡只有100萬年,其中原恒星仍然被原生的星雲所層層包裹著,仍然有物質源源不斷地掉到正在形成的恒星以及原行星盤上。儘管如此,ALMA依然能夠穿透氣體雲,觀測到一個帶有很多同心圓環和縫隙的原行星盤。

  如果這些縫隙是正在形成的行星“雕刻”出來的,那麼就說明行星是在恒星和盤正在形成的時候同步形成的,其誕生只需要幾十萬年,而不是幾百萬年的時間。我們太陽系中所找到的一些證據同樣支援行星快速形成的理論。通過追溯不同隕石的年齡可以得到木星核心的年齡,結論是在太陽系誕生一百萬年的時候,木星核就已經形成了。

  科學家還認為,大約有10倍地球質量的冰、岩石、金屬形成了早期的木星核,也就是說星子和行星核的生長甚至比一百萬年還要早。如果行星是與恒星和原行星盤同時形成的,那麼行星形成模型就需要從根本上進行修改。

  前不久ALMA首次探測到了原行星盤中組成行星的物質下落到縫隙中的信號。據推測,縫隙中應當有一顆年輕的行星。這個結果讓我們對未來充滿期待。我們將會把地面望遠鏡與未來的空間望遠鏡結合起來,將太陽系置於銀河系眾多行星系統當中來重新審視,而不再是僅僅以太陽系去推測其他的行星系統。

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