天文學家觀測行星誕生

我開始讀研究生那周，位於智利的阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波陣列（ALMA）望遠鏡宣佈了首批科學專案。這個突破性的設施使用數十個射電天線協同工作，以建立像單個16公里寬的望遠鏡一樣詳細的影像。憑藉這種極高的解析度，ALMA可以在毫米波和亞毫米波波段比以往任何望遠鏡看得更深更遠。我抓住機會加入其首批專案之一——一項關於附近一顆名為AU Mic的恆星周圍塵埃和碎石盤的研究。我們觀測的物件是科學家在ALMA建成之前從未如此詳細地看到過的東西。塵埃和碎石聽起來可能不那麼令人興奮，但它們是製造行星的原材料，而這座天文臺讓我們有機會親眼目睹這個過程。

資料交付又花了一年時間。現代天文學通常是遠端完成的：我們不必在偏遠的山區天文臺熬夜，我們所要做的就是提交一個計算機指令碼，告訴望遠鏡要觀測什麼以及何時觀測。然後我們耐心地（或更常見的是，不耐煩地）等待我們的觀測被安排和完成。我仍然記得那種期待，當我等待資料下載時的那種忐忑不安的感覺，以及當資料最終準備好時，影像出現在我的電腦螢幕上時的敬畏——一個細長的光斑，中心有一個亮點，兩側邊緣各有兩個亮點。

我們瞥見的是一個正在成長的太陽系。中心的光點實際上是恆星，我們現在知道它正在爆發，向太空發射高能粒子束。另外兩個亮點標誌著環繞中心恆星的碎片盤的邊緣，類似於環繞我們太陽的柯伊伯帶。我們認為這個帶狀物是AU Mic周圍行星形成後留下的碎石，AU Mic是一顆年輕的M矮星，距離我們約32光年。其他科學家最近在該系統中發現了兩顆行星：一顆質量約為木星，另一顆質量約為土星，都相當靠近它們的恆星執行。現在我們有一個前所未有的機會來觀察圓盤中的物質是如何演化的，以及如何與新形成的行星相互作用的。

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自從早期的影像以來，ALMA的功能不斷擴充套件，該陣列現在擁有新的天線、更高的解析度和更多的波長覆蓋範圍。與此同時，星周盤和行星形成的研究也蓬勃發展。ALMA拍攝了數百張行星嬰兒照片，幫助我們構建了關於此類系統如何形成的新觀點，並揭示了我們以前永遠無法探測到的大量行星。

嬰兒行星

恆星形成於被稱為分子云的巨大氣體和塵埃區域。空曠空間的典型密度僅為每立方厘米一個原子，但分子云最稠密的區域可以達到這個正常值的10,000到一百萬倍。當這些斑點或“核心”變得足夠稠密時，它們開始在自身引力作用下坍縮形成恆星。與此同時，坍縮核心的初始旋轉和角動量守恆自然地形成了一個圍繞新生的恆星的盤。天文學家將這些塵埃和氣體集合稱為“星周”（意為“圍繞恆星”）盤。

當恆星還非常年輕（只有幾百萬年）時，它們的星周盤相對巨大，通常在一個典型的系統中，其質量約為中心恆星質量的1%到10%。對於像太陽這樣的恆星，這相當於一個質量大約是木星100倍的盤。這些年輕而巨大的飛盤是“原行星盤”，因為我們認為行星正是在這裡積極形成的。岩石、金屬和冰從圓盤中凝結出來形成行星種子。隨著種子開始碰撞並粘在一起，它們變得越來越大，直到它們有足夠的引力開始透過稱為吸積的過程吸引更多的物質。嬰兒原行星在圓盤內軌道執行並繼續積累物質，在行星“吃豆人”遊戲中在圓盤中刻出空隙。幾乎所有年齡小於幾百萬年的恆星都被圓盤包圍，這些圓盤很可能孕育著各種各樣的新行星系統。

原行星盤階段持續數百萬年。在那之後，最初的星周盤中的大部分氣體和塵埃都消失了。這種清除是如何發生的以及在什麼時間尺度上發生是活躍的研究領域，但我們認為，原始圓盤中的大量塵埃和氣體要麼向內遷移並落到中心恆星上，要麼被強烈的恆星風吹走。大約1000萬年後，剩下的就是一個成熟的恆星，周圍環繞著一個新的行星系統和一個由殘留的小行星和彗星組成的圓盤。這種殘留物質的總質量很低——可能不到地球質量的10%。儘管這些“碎片盤”中可能仍然有足夠的質量來形成小型類地行星或類似冥王星的天體，但你可以將它們視為早期行星形成的化石記錄。它們的結構是透過與新形成的行星的引力相互作用塑造的，它們的組成為了解最初構成這些行星的物質提供了線索。

天文學家在1983年發射紅外天文衛星（IRAS）時首次發現了碎片盤。它是第一顆在紅外波長（12到100微米；人發大約75微米寬）掃描整個天空的衛星。你可以將紅外輻射視為熱量。當IRAS掃描紅外天空時，天文學家發現許多恆星看起來比預期的更亮。為什麼？提出的答案是塵埃。如果這些恆星被塵埃盤包圍，塵埃顆粒會被恆星加熱，然後在紅外範圍內輻射熱輻射。從這個推論中，一個新的研究領域誕生了。事實上，IRAS發現的前四個碎片盤——織女星、繪架座β星、波江座ε星和北落師門星——至今仍在研究和困惑中。

透過使用紅外望遠鏡搜尋此類亮點，天文學家已經證實，至少有20%到25%的恆星被碎片盤包圍。鑑於我們對行星系統如何形成的認識，人們可能會合乎邏輯地得出結論，所有恆星都應該被殘留物質包圍——畢竟，開普勒任務的統計資料告訴我們，銀河系中的每顆恆星至少都有一顆繞軌道執行的系外行星。事實上，碎片盤可能比我們知道的更常見。即使是我們太陽系也有自己的多個碎片盤系統——小行星帶和柯伊伯帶。然而，與我們一直在成像的其他恆星周圍的系統相比，太陽系實際上是貧塵的。事實上，迄今為止最深入的紅外巡天只能識別出塵埃質量大約比我們在太陽系中看到的質量高一個數量級的圓盤。這是否使我們的宇宙家園成為一個怪胎？我們還不確定。我們一直在研究質量最大、最極端的圓盤，但可能還有更多低質量的圓盤有待發現，這將幫助我們將我們自己的行星系統置於背景中。

儘管天文學家在20世紀80年代早期紅外觀測中開始推斷出塵埃盤的存在，但他們並不知道它們是什麼樣子的。在20世紀90年代和21世紀00年代望遠鏡技術改進之前，只有一個恆星系統——繪架座β星——被分辨出來。值得注意的是，哈勃太空望遠鏡採用了日冕儀成像技術，天文學家使用這種技術來阻擋來自中心恆星的光，以便看到較暗的周圍物體，從而對星周盤中小的塵埃顆粒散射的光進行成像。儘管這些早期影像中的許多都不清晰，但它們首次表明星周盤實際上具有擴充套件的、複雜的結構。在繪架座β星周圍的碎片盤的情況下，第一批哈勃影像顯示了圓盤內區域的扭曲，天文學家認為這可能表明一顆看不見的行星。直接成像後來證實了這個嬰兒世界。

新型望遠鏡

我們從塵埃中看到的反射光的波長大致對應於塵埃顆粒的大小——光學和近紅外光來自數十微米大小的小塵埃顆粒，而遠紅外和毫米波波長成像對尺寸與沙子相似的較大顆粒敏感。我們認為，這些較大的顆粒更好地示蹤了星周盤的潛在結構。在圓盤內部，存在連續的碰撞級聯。大型彗星和小行星相互碰撞並被磨成越來越小的塵埃顆粒。圓盤中質量最大的物體被稱為星子，它們的位置受到系統中其他行星相互作用的影響。如果我們能找到星子，那麼即使我們永遠無法直接觀測到這些大型天體，這些資訊也可以用來推斷看不見的行星的存在。

最小的塵埃顆粒很容易被與星際氣體的相互作用移動，或者只是被恆星本身的風和輻射吹走。但是，由於較大的沙粒狀顆粒受這些力的影響較小，因此它們為我們提供了最好的機會，透過它們的引力影響來揭示潛在的圓盤結構和看不見的行星。

因此，我們希望觀察長波長來研究圓盤結構並搜尋看不見的行星的跡象。這似乎很簡單——但當然，有一個陷阱。望遠鏡的解析度等於觀測波長除以望遠鏡的直徑。因此，當您將波長從光學波段增加到毫米波波段時，您必須大大增加望遠鏡的尺寸才能獲得相同的解析度。哈勃望遠鏡的直徑為2.4米，對於1微米波長的觀測，解析度為0.13角秒。如果想要在1毫米波長下獲得相同的解析度，您需要將望遠鏡的直徑增加1000倍，達到2公里以上！我們無法建造如此大的望遠鏡，因此我們必須使用一種稱為干涉測量的技術。本質上，干涉儀不是使用單個直徑為2公里的望遠鏡，而是將多個較小的望遠鏡分散在2公里範圍內，並組合它們的訊號以獲得同樣高的解析度。

ALMA於2011年拍攝了第一張影像，至今仍是世界上最強大的干涉儀。ALMA位於智利阿塔卡瑪沙漠，海拔約5公里，擁有66個天線，可以重新定位以跨越150米至16公里的基線（任意兩個天線之間的距離）。如果您熟悉華盛頓特區地區，請想象一下白宮橢圓形草坪：在最緊湊的配置中，ALMA將完全位於其中。在最擴充套件的配置中，它將跨越整個首都環城公路。憑藉在靈敏度和解析度方面的進步，我們現在可以比以往任何時候都更詳細地對更暗淡的物體進行成像。毫不誇張地說，ALMA徹底改變了我們對星周盤的理解。

在2014年拍攝的首批轟動一時的圓盤影像之一中，ALMA對HL Tau進行了成像，這是一個可能不到10萬年的年輕系統。照片顯示，曾經被認為是連續的圓盤被分割成多個環和空隙。鑑於該系統的年齡很小，如果這些空隙實際上是由嬰兒行星雕刻出來的，那麼行星形成必須比最初認為的開始得更早。在另一個值得注意的發現中，2018年，DSHARP（高角解析度專案中的圓盤亞結構）調查以高解析度觀察了20個原行星盤，發現每個圓盤都有環和空隙，有些甚至顯示出螺旋結構。顯然，這些特徵並非HL Tau獨有，而是年輕星周盤普遍存在的特徵。

行星探測

除了教給我們關於行星形成過程的知識外，研究圓盤也是探測我們原本無法找到的系外行星的好方法。

開普勒和苔絲（凌星系外行星巡天衛星）等望遠鏡任務以及許多地面巡天迄今已探測到數千顆系外行星。然而，這些行星中的大多數比我們太陽系中的行星質量更大或更靠近它們的宿主恆星。這些型別的行星不一定更常見；只是我們更容易找到它們。探測系外行星的兩種主要方法是凌星法，它尋找行星在恆星前方執行時恆星的週期性變暗，以及視向速度法，它透過觀察行星由於引力牽引在其宿主恆星中引起的輕微速度變化來追蹤行星。這兩種方法都偏愛軌道週期短的大行星，因為必須觀察多個軌道才能確認探測結果，這意味著使用這些方法的天文學家可能會錯過許多行星。例如，海王星的軌道週期約為165年：如果您從另一顆恆星研究我們的太陽系，您將等待很長時間才能看到它凌日太陽哪怕一次。我們確實知道的少數幾顆距離其宿主恆星像海王星一樣遠的行星是透過直接成像探測到的，直接成像使用日冕儀——阻擋來自宿主恆星的光——來對行星本身進行成像。然而，這種方法也有其自身的觀測偏差，偏愛年輕的系統，在這些系統中，行星仍然保留著形成過程中的大量熱量。

為了將太陽系的結構置於背景中，我們必須能夠探測到古老系統中遠離其宿主恆星的巨行星。現在，藉助ALMA，可以透過使用星周盤的分辨結構來實現這一點，這為其他系外行星探測方法提供了強大的補充。

例如，我們可以透過研究由在其內部軌道執行的行星雕刻的圓盤特徵（例如，扭曲、團塊和其他不對稱性）來找到類似海王星的行星。在我們自己的太陽系中，經典的柯伊伯帶非常狹窄，這是由於海王星的引力影響。我們認為，在太陽系早期演化過程中，海王星最初形成於更靠近太陽的地方，然後向外遷移，掃蕩了其尾跡中的大部分殘留物質，形成了今天看到的柯伊伯帶。如果我們觀察到系外碎片盤中類似的結構，我們可以使用它們來推斷看不見的類似海王星的天體的存在。

我們還可以透過研究行星居住的圓盤來更多地瞭解我們已經知道的行星。HR 8799系統有四顆直接成像的巨行星，它們在類似於我們自己的小行星帶和柯伊伯帶的區域之間執行。藉助毫米波干涉測量，我們可以分辨出該系統外部柯伊伯帶類似物的結構，並確定其內邊緣的位置。如果我們假設系統中最外層的行星負責雕刻圓盤，我們可以使用內邊緣的位置來約束行星的可能質量，約為木星質量的六倍。這看起來可能不算什麼壯舉，但這比我們之前對行星質量的最佳估計要精確得多，之前的估計依賴於行星如何隨著時間推移冷卻和變暗的理論模型。使用圓盤的結構，我們可以對這些模型提供重要的獨立檢查。

ALMA對年輕原行星盤的觀測顯示出豐富的詳細結構；環和空隙似乎幾乎存在於每個系統中。如果所有這些空隙都是由行星雕刻出來的，我們可以假設存在大量看不見的冰巨星行星。然而，將年輕系統中的結構直接與行星聯絡起來具有挑戰性，因為其他效應使建模工作變得複雜。較老、演化程度更高的系統更容易解釋，但到目前為止，很少有碎片盤表現出多環結構。最近，我們在HD 15115碎片盤中發現了一個新的空隙，其位置超出了我們系統中冥王星的軌道。動力學模型表明，這個空隙代表一顆冰巨星行星，其質量略小於土星。我懷疑，隨著我們獲得更多這些演化系統的深入、高解析度影像，更多行星引起的特徵將會顯現出來。

此外，除了星周盤的結構外，我們還可以研究它們的組成。由於這些圓盤是行星形成的儲藏庫和化石記錄，它們的組成與這些系統中行星的組成及其形成歷史密切相關。許多常見的分子由於其分子鍵的彎曲和伸展而在毫米波波長下發光。科學家已經在原行星盤中存在的大型氣體儲藏庫中探測到數十種有機分子（包括一氧化碳、甲醛、甲醇和氨等）。

我們的研究還發現了一個新的謎團：傳統上，碎片盤被認為是貧氣的，因為它們最初的氣體儲藏庫應該在幾百萬年內清除。ALMA已經揭示，許多碎片盤包含二氧化碳氣體，但我們將其解釋為彗星在圓盤中碰撞的結果，並在它們被磨成小塵埃顆粒時以氣體形式釋放出被困的冰。然而，少數系統挑戰了這一圖景，因為它們包含如此大量的氣體，以至於需要不切實際的高彗星碰撞率才能產生它。這一發現提出了一個問題：原始氣體是否有可能在這些圓盤中保留數千萬年？到目前為止，我們還沒有答案。

多波長未來

作為一名科學家，在我成長的過程中，行星形成研究領域也隨之成長，這讓我感到興奮。當ALMA首次睜開眼睛觀測天空時，我開始攻讀博士學位，而當我開始我的第一個教職時，我們正在邁向激動人心的多波長天文學新未來。ALMA徹底改變了我們對星周盤的理解，揭示了結構和化學成分的複雜性，而這些複雜性在幾十年前只能猜測。但ALMA無法回答我們想要探索的所有問題。我在本文中討論的所有碎片盤都是柯伊伯帶的類似物，即太陽系外區域的寒冷塵埃環。到目前為止，天文學家仍在努力對小行星帶的類似物進行成像——我們仍然只能透過它們過量的紅外光來探測這些特徵，就像我們在早期使用IRAS時所做的那樣。

為了對系外系統的內部區域進行成像，我們需要對熱塵埃敏感的更短波長。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）計劃於2021年發射，我們預計它將拍攝第一張小行星帶類似物的照片。除此之外，JWST將在直接追蹤來自矽酸鹽（如橄欖石和輝石等礦物，地球上也存在）的發射的波長下執行，並約束圓盤顆粒的礦物成分。

展望更遠的未來，下一代“極大望遠鏡”正在建造中，這些儀器將在2020年代中期至後期看到第一縷光。這些望遠鏡的直徑將大於24米，是目前任何地面望遠鏡的五倍以上，它們可能能夠直接對我們現在只能從ALMA圓盤觀測中推斷出的某些行星進行成像。

天文學和天體物理學十年調查——一項旨在確定未來資助優先事項的全領域努力——正在進行中。正在考慮的是四項NASA旗艦任務，這些任務可能會在2030年代及以後在行星科學領域取得巨大進展。起源太空望遠鏡是一個低溫冷卻的紅外天文臺，可以追蹤來自恆星形成區域的水是如何最終進入星周盤的，提供關於低質量圓盤群體的統計資料等等。其他候選者，如大型紫外/光學/紅外巡天儀和宜居系外行星天文臺，是直接成像任務，可以探測和表徵許多系外行星，其中一些可能是類地行星。

無論最終選擇哪個任務，我確信的一件事是，我們對太陽系及其形成及其在系外行星系統宇宙中的地位的理解每天都在變化。當你等待看到每次新的觀測結果時，你胃裡的那種忐忑不安的感覺——它永遠不會消失。