原行星盘: 行星诞生的摇篮
2019/8/6 18:34:27季江徽 中国科学院紫金山天文台
原行星盘的射电观测新纪元
2014年9月，智利北部阿塔卡马沙漠高原上新建成的阿塔卡马毫米/亚毫米波阵列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，ALMA)进行了仪器测试，开展了持续的天文观测。天文学家利用ALMA拍摄了一颗金牛座年轻恒星HL Tauri(距离我们约460光年)周围的气体和尘埃盘的图像。
ALMA观测HL Tauri的尘埃连续谱图像
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当ALMA的超级计算机将这些射电望远镜阵列接收到的光子拼接在一起时，发现HL Tauri附近的尘埃分布呈现一系列的清晰环形结构。这些环状结构让天文学家感到欣喜，因为这像极了行星形成理论所预言的场景——刚刚诞生的行星可以在围绕在中心恒星周围的原行星盘中蚀刻产生间隙。因而，ALMA揭开了原行星盘的射电观测新纪元。
在此后的4年里，天文学家又陆续拍摄了许多其他年轻恒星周围的气体和尘埃盘的高分辨率观测图像。这些高分辨率的图像一部分来自上述的ALMA望远镜，还有一些来自欧洲南方天文台(European Southern Observatory，ESO)甚大望远镜上的SPHERE仪器。
这些代表着行星形成区域的图像呈现出了各种各样的图案：有些是整齐的椭圆盘中夹着清晰的环状空带，有些则像微型的星系那样由旋臂组成开放的弧形。这些环绕恒星的原行星盘是行星的“摇篮”。
ALMA观测到的20个原行星盘的240 GHz尘埃连续谱
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行星系统的形成机制
这些丰富的行星形成区图像有助于探索太阳系和其他系外行星系统的形成机制。
早期的理论如星云假说(Nebular hypothesis)，无疑是最为广泛接受的解释太阳系形成与演化的模型。该理论最早由德国哲学家康德和法国数学家拉普拉斯提出，认为太阳和行星诞生于一团模糊的气体和尘埃云。
这个假说可较好地阐明太阳系行星轨道接近圆形和共面性及其运动方向与太阳自转方向的一致性。康德和拉普拉斯的星云假说虽然有一些局限性，但无疑是现代行星形成理论的雏形。
现今的天文学家一直致力于改进和完善行星形成理论的诸多细节问题。
目前广泛接受的行星形成模型认为，分子云坍塌导致形成恒星，气体和尘埃则会在围绕年轻恒星的原行星盘内残留、冷却，尘埃会逐渐凝结成更大的颗粒，然后长大生成类似于太阳系小行星大小的物体，称为星子(planetesimal)，进而星子之间发生大规模的相互碰撞而形成更大尺寸的行星胚胎。
这些岩石抑或吸积大量气体，形成类似木星的气体巨行星，抑或直接成为类似于地球的岩石类行星。
· 质量决定个头，气态巨行星还是类地行星？
行星形成理论的一个关键环节是，像木星一样的气态巨行星必须在原行星盘气体消散前形成，因为只有在原行星盘尚且存在的时候，行星方能吸积其中的氢氦气体。
这种流行的行星形成理论通常被称为核吸积模型：由固体物质组成的数千千米大小的星子首先形成，之后星子通过引力作用发生碰撞并合而不断生长。
如果在原行星盘仍存在的时候能够长成十多个地球质量的行星核，则可以触发快速吸积气体的过程，迅速长成木星或土星这样的气态巨行星。如果行星核无法在原行星盘存在时达到快速吸积气体的临界质量，则其最终演变成地球和火星这样的类地行星。
基于对原行星盘和年轻恒星年龄的天文观测，天文学家发现原行星盘的寿命大约为100万~1000万年。这表明行星核的形成过程非常迅速，在1000万年内，完成从分子云内的尘埃长到十多个地球质量的行星核，再生长到气态巨行星这样的完整过程。
10万年：从尘埃到行星
原行星盘的观测已成为现今行星科学研究的一个热点。可是随着观测样本的扩大, 又有新的挑战出现在人们面前。这些行星具有不同的轨道和物理参数，呈现出多样性和复杂性。这些多样的系外行星在原行星盘中如何形成？
为了阐明上述行星形成理论的难点，天文学家提出了许多物理机制。在解释尘埃如何快速聚集生长成行星核这个问题上，天文学家提出了流动不稳定性(streaming instability)和卵石吸积(pebble accretion)理论。流动不稳定性针对的是从尘埃变成千米级团块的过程。原行星盘的气体盘做着围绕中央恒星的流体运动。在这个过程中，气体盘和盘中的尘埃迅速冷却，尘埃在气体盘内快速漂移，并在自引力的作用下聚集并坍塌，从厘米级尘埃或冰长成 1~100km的高密度聚集体，成为构建行星核的基础。
卵石吸积理论试图解释气态巨行星内部十多个地球质量的行星核的形成过程。根据该理论，原行星盘中有大量在恒星形成时期生成的尘埃和卵石。原行星盘中的星子形成后，与气体盘的角动量交换将使其发生轨道迁移，逐渐接近中央恒星或者远离中央恒星。
在星子的轨道迁移过程中，它将通过引力吸积盘中的尘埃和卵石，像滚雪球一样迅速变大，长成构建气态巨行星的内核。太阳系的木星和土星有可能在早期经历了卵石吸积过程。原行星盘内的星子和行星胚胎与气体盘的相互作用也是行星形成理论中的重要一环。
一方面，星子和行星胚胎在气体盘内与气体盘交换角动量，发生接近或远离中央恒星的轨道迁移。另一方面，对于质量足够大的行星，它的希尔半径可以超过气体盘的厚度；相对于行星的引力势而言，气体盘很薄，此时行星可以在气体盘内打开一个空带，行星和它在盘内打开的空带一起迁移。
观测到的各个原行星盘的环形结构和气态巨行星在气体盘中打开的空带很像。这表明，如果这些系统中的环状结构确实是由年轻的行星产生的，说明行星的生长速度确实非常快，类似于木星大小的气态行星则可在10万年的时标内生成。
虽然观测到的各种原行星盘结构成因可基于行星和盘的相互作用来解释，但是天文学家依然不能确定行星是否是产生这些结构的唯一可能。
一方面，原行星盘中的不稳定性也可以在原行星盘中产生多种多样的复杂结构。另一方面，行星形成理论远比260多年前康德所预测的要复杂，而且细节更为丰富。天文学家意识到深入理解原行星盘和行星的形成与演化过程仍然需要大量的理论研究工作。
最近的理论工作表明，原行星盘本身的流体不稳定性亦可以产生大尺度的结构特征。另外，原行星盘本身的物理性质，比如黏滞度和磁场性质等，也对其呈现出的结构有决定性的影响。
展望未来
更多望远镜加入到原行星盘的观测中
更多的原行星盘观测结果可以帮助行星形成理论快速发展。除了ALMA之外, 位于智利安第斯山的Gemini Planet Imager(GPI)也加入到观测原行星盘的阵营。在不久的将来，等到具有更高分辨率的射电干涉阵落成后，这个观测队伍会进一步壮大。
建设中的射电干涉阵包括英国的梅林(Merlin)阵列望远镜，位于南非和澳大利亚西部的Square Kilometer Array(SKA)，以及美国正在预研的下一代甚大天线阵(Next Generation Very Large Array，ngVLA)。
这些射电阵列将填补目前的一些观测空白，比如它们可以观测到厘米波段的信息，从而得到原行星盘中厘米级物质颗粒的分布图像。这样的厘米波图像有助于天文学家深入理解从尘埃生长到星子的中间过程。ngVLA在HL Tauri的距离(约460光年)处的分辨率可以达到0.5个天文单位，它将有能力探测星子区域的物理环境，还可以分辨年轻行星在原行星盘形成的密度扰动。
针对原行星盘的研究方兴未艾，未来更高分辨率的观测研究将更清晰地揭示原行星盘的特征。在行星形成研究方面，虽然天文学家基于已有的观测样本发展了有关理论，但由于牵涉到原行星盘复杂的物理和化学过程，仍然有许多细节需要不断完善。
可以预期，伴随着未来空间和地基观测项目的开展，将会获得更加丰富的观测数据，原行星盘和行星形成的研究必将迈入一个蓬勃发展的新阶段。这些研究不仅有助于揭开一般行星系统形成演化的“谜团”，亦为太阳系自身的起源演化提供重要科学线索。
原文链接：《科学通报》http://124.17.27.102/publisher/scp/journal/CSB/doi/10.1360/TB-2019-0007?slug=fulltext
延伸阅读：
[1].ALMA Partnership. The 2014 ALMA long baseline campaign: First results from high angular resolution observations toward the HL Tau region. Astrophys J Lett, 2015, 808: L3
[2].Andrews S M, Huang J, Perez, L M, et al. The Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP). I. Motivation, sample, calibration, and overview. Astrophys J Lett, 2018, 869: L41
作者简介
季江徽：中国科学院紫金山天文台“行星科学与深空探测实验室”首席研究员，中国科学院行星科学重点实验室主任。研究方向：太阳系小天体动力学、系外行星系统形成与动力演化、深空探测轨道和技术等。
撰文：季江徽
编辑：王科超、高娜
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