天文学家观察行星的诞生

在我开始读研究生的那个星期，智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列望远镜(ALMA)的第一个科学项目被宣布。这个开创性的设备使用数十个无线电天线协同工作，生成的图像与16公里宽的单个望远镜拍摄的图像一样详细。凭借这种极高的分辨率，ALMA在毫米和亚毫米波长的光中可以比以前的任何望远镜看得更深更远。我欣然接受了这个机会，加入了它的首批项目之一——研究一颗名为AU Mic的恒星周围由尘埃和碎石组成的圆盘。在ALMA建成之前，科学家们从未如此详细地观察过我们观测的对象。灰尘和碎石听起来可能不那么令人兴奋，但它们是构成行星的原材料，这个天文台让我们有机会看到这个过程。

数据又过了一年才交付。现代天文学通常是在远距离进行的:我们不需要在偏远的山区天文台度过漫长的夜晚，我们所要做的只是提交一份电脑脚本，告诉望远镜要观测什么以及什么时候观测。然后我们耐心地(或者更多时候是不耐烦地)等待我们的观察被安排好并完成。我仍然记得等待数据下载时的期待和蝴蝶般的感觉，以及最终准备就绪时，当图像出现在我的电脑屏幕上时的敬畏——一个又长又细的光点有三个亮点:一个在中心，两个在两边的边缘。

我们看到的是一个正在成长的太阳系。中心点实际上是恒星，我们现在知道它正在燃烧，向太空发射高能粒子。另外两个亮点标志着围绕中心恒星旋转的碎片盘的边缘，类似于围绕太阳旋转的柯伊伯带。我们认为这个带是行星在AU Mic周围形成后留下的碎片，AU Mic是一颗大约32光年远的年轻M矮星。其他科学家最近在这个星系中发现了两颗行星:一颗质量与木星相当，另一颗质量与土星相当，它们的轨道都离恒星相当近。现在我们有了一个前所未有的机会，可以看到圆盘中的物质是如何演化的，以及如何与新形成的行星相互作用的。

自那张早期图像以来，ALMA的能力不断扩大，阵列现在有了新的碟形，更高的分辨率和更多的波长覆盖范围。与此同时，围绕恒星盘和行星形成的研究也有了爆炸性的发展。ALMA已经拍摄了数百张行星婴儿照片，帮助我们建立了一个新的视角，了解这些系统是如何形成的，并揭示了我们永远无法探测到的行星宝藏。

婴儿的行星

恒星形成于被称为分子云的巨大气体和尘埃区域。真空的典型密度是每立方厘米只有一个原子，但分子云最厚的区域的密度可以达到这个标准的1万到100万倍。当这些斑点或“核心”密度足够大时，它们开始在自身引力下坍缩形成恒星。与此同时，坍缩核心的初始旋转和角动量守恒自然地形成了围绕新生恒星的圆盘。天文学家把这些尘埃和气体的集合称为“星周盘”(意思是“围绕恒星”)。

当恒星还很年轻的时候(只有几百万岁)，它们的星盘相对巨大，在一个典型的系统中，其质量通常约为中心恒星的1%到10%。对于像太阳这样的恒星，这相当于一个圆盘的质量大约是木星的100倍。这些年轻、巨大的飞盘是“原行星”，因为我们认为这是行星活跃形成的地方。岩石、金属和冰从圆盘中凝结出来，形成行星种子。当种子开始碰撞并粘在一起时，它们变得越来越大，直到它们有足够的重力开始吸引更多的物质，这一过程被称为吸积。婴儿原行星在圆盘内运行，并继续积累物质，在行星吃豆人游戏中在圆盘上雕刻出空隙。几乎所有年轻于几百万年的恒星都被圆盘包围着，这些圆盘很可能孕育着一个新的行星系统动物园。

原行星盘阶段持续数百万年。在那之后，来自最初的恒星周围圆盘的大部分气体和尘埃都被清除了。这种清理是如何发生的，在什么时间尺度上是活跃的研究领域，但我们认为，原始盘中的许多尘埃和气体要么向内迁移，落到中央恒星上，要么被强烈的恒星风吹走。大约1000万年后，剩下的就是一颗成熟的恒星，周围环绕着一个新的行星系，以及一个由残余的小行星和彗星组成的圆盘。这些剩余物质的总质量很低——可能不到地球质量的10%。尽管在这些“碎片盘”中可能仍然有足够的质量来形成小型类地行星或类似冥王星的天体，但你可以把它们看作是早期行星形成的化石记录。它们的结构是通过与新形成的行星的引力相互作用雕刻出来的，它们的组成为我们提供了关于这些行星最初是由什么物质构成的线索。

1983年红外天文卫星(IRAS)发射时，天文学家首次发现了碎片盘。它是第一颗在红外波长(12到100微米;人类的头发直径约为75微米)。你可以把红外辐射看作热量。当IRAS扫描红外线天空时，天文学家发现许多恒星看起来比预期的更亮。为什么?答案是灰尘。如果这些恒星被尘埃盘包围，颗粒就会被恒星加热，然后在红外范围内辐射热辐射。由此推论，一个新的研究领域诞生了。事实上，iras发现的前四个碎片盘-织女星，贝塔- Pictoris, Epsilon Eridani和北落师门-至今仍在被研究和困惑。

通过使用红外望远镜寻找这样的亮点，天文学家已经证实，至少有20%到25%的恒星被碎片盘包围。根据我们对行星系形成方式的了解，人们可能会合乎逻辑地得出结论:所有恒星都应该被残留物质包围——毕竟，开普勒任务的统计数据告诉我们，银河系中的每一颗恒星都至少有一颗绕其运行的系外行星。事实上，碎片盘可能比我们所知道的更常见。甚至我们的太阳系也有自己的多碎片盘系统——小行星带和柯伊伯带。然而，与我们所成像的其他恒星周围的系统相比，太阳系实际上是缺乏尘埃的。事实上，迄今为止，最深处的红外探测只能识别出尘埃质量大约比我们在太阳系中看到的高一个数量级的圆盘。这是否会让我们的宇宙家园变得古怪?我们还不确定。我们一直在研究质量最大、最极端的圆盘，但可能还有更多的低质量圆盘有待发现，这将有助于我们了解我们自己的行星系统。

虽然天文学家从20世纪80年代早期的红外观测中开始推断尘埃盘的存在，但他们不知道它们长什么样。在望远镜技术在20世纪90年代和21世纪初得到改进之前，只有一颗恒星系统——pictoris——被解决了。值得注意的是，哈勃太空望远镜使用了日冕成像技术，一种天文学家用来阻挡来自中心恒星的光以看到周围较暗的物体的技术，以成像环绕恒星盘中小尘埃颗粒散射的光。尽管许多早期的图像模糊不清，但它们第一次表明，环绕恒星的圆盘实际上具有扩展的复杂结构。在绘座贝塔星周围的碎片盘的情况下，哈勃的第一张图像显示了圆盘内部区域的扭曲，天文学家认为这可能表明有一颗看不见的行星。后来直接成像证实了这个婴儿世界。

新望远镜

我们从尘埃中看到的反射光的波长大致与尘埃颗粒的大小相对应——光学和近红外光来自几十微米大小的小尘埃颗粒，而远红外和毫米波长成像对类似沙子大小的大颗粒很敏感。我们认为，这些更大的颗粒是环绕恒星盘底层结构的更好的示踪剂。在一个圆盘内，有一连串连续的碰撞。大型彗星和小行星相互碰撞，将地面压成越来越小的尘埃颗粒。圆盘中质量最大的物体被称为星子，它们的位置是由与系统中其他行星的相互作用决定的。如果我们能确定星子的位置，这些信息就可以用来推断看不见的行星的存在，即使我们永远无法直接观察到这些大型天体。

最小的尘埃颗粒很容易通过与星际气体的相互作用移动，或者只是被恒星本身的风和辐射吹出来。但由于较大的沙粒受这种力的影响较小，它们为我们提供了最好的机会，通过它们的引力影响来揭示潜在的圆盘结构和看不见的行星。

因此，我们希望通过观察长波来研究圆盘结构，并寻找看不见的行星的特征。这看起来很简单——但当然，这里有一个陷阱。望远镜的分辨率等于观测波长除以望远镜的直径。因此，当你将波长从光学级增加到毫米级时，你就必须大幅增加望远镜的尺寸以达到相同的分辨率。哈勃的直径为2.4米，在1微米波长下的观测分辨率为0.13弧秒。如果你想在一毫米的波长上达到同样的分辨率，你需要将望远镜的直径增加1000倍，达到2公里以上!我们无法建造这么大的望远镜，所以我们必须使用一种叫做干涉测量的技术。从本质上讲，干涉仪不是一个直径2公里的望远镜，而是将多个较小的望远镜分散在2公里以上，并将它们的信号组合在一起，以实现同样高的分辨率。

ALMA于2011年拍摄了第一张图像，至今仍是世界上最强大的干涉仪。ALMA位于海拔约5公里的智利阿塔卡马沙漠，拥有66个天线，可以重新定位，跨越150米到16公里的基线(任何两个天线之间的距离)。如果你熟悉华盛顿特区，想象一下白宫椭圆:在它最紧凑的配置中，ALMA将完全融入其中。在其最延伸的配置中，它将横跨整个首都环城公路。随着灵敏度和分辨率的提高，我们现在可以比以前更详细地成像更微弱的物体。可以毫不夸张地说，ALMA彻底改变了我们对星周盘的理解。

在2014年拍摄的第一张轰动的磁盘图像中，ALMA拍摄了HL Tau，这是一个可能不到10万年的年轻系统。这张照片显示，被认为是一个连续圆盘的东西被雕刻成多个环和缝隙。考虑到该星系的年轻年龄，如果这些间隙实际上是由婴儿行星雕刻的，那么行星的形成必须比最初想象的更早开始。在另一个值得注意的发现中，2018年，DSHARP(高角分辨率磁盘子结构项目)调查以高分辨率观测了20个原行星盘，发现每个原行星盘都有环和间隙，有些甚至显示出螺旋结构。显然，这些特征并不是HL Tau独有的，而是在年轻的周盘中普遍存在。

行星探测

除了让我们了解行星形成的过程之外，研究圆盘也是探测我们原本无法找到的系外行星的好方法。

到目前为止，开普勒和TESS(凌日系外行星调查卫星)等望远镜任务以及许多地面调查已经探测到数千颗系外行星。然而，这些行星中的大多数比我们太阳系中的行星更大，或更接近它们的主恒星。不过，这类行星并不一定更常见;它们对我们来说更容易找到。探测系外行星的两种主要方法是凌日法和视向速度法，前者是在行星在恒星前面运行时寻找恒星周期性变暗的方法，后者是通过观察行星在其主星上由于引力而引起的速度轻微变化来跟踪行星的方法。这两种方法都适用于轨道较短的大行星，因为必须观测多个轨道才能确认探测到的行星，这意味着使用这些方法的天文学家可能会遗漏很多行星。例如，海王星的公转周期大约为165年:如果你从另一颗恒星上研究我们的太阳系，你可能要等很长时间才能看到它凌日一次。我们所知道的少数几颗与主星距离类似海王星的行星是通过直接成像探测到的，这种成像使用日冕仪——阻断主星发出的光——来成像行星本身。然而，这种方法有自己的观测偏差，有利于年轻的系统，这些系统的行星仍然保留着形成时的大量热量。

为了更好地了解太阳系的结构，我们必须能够在旧系统中探测到距离主星很远的巨大行星。现在，有了ALMA，这可以通过使用环绕恒星盘的解析结构来完成，为其他系外行星探测方法提供了强大的补充。

例如，我们可以通过研究圆盘的特征来发现类似海王星的行星，这些特征是由环绕其中的行星雕刻而成的，比如扭曲、团块和其他不对称。在我们的太阳系中，由于海王星的引力影响，经典的柯伊伯带非常狭窄。我们认为，在太阳系的早期演化过程中，海王星最初在离太阳更近的地方形成，然后向外迁移，在它的尾部卷起了许多残余物质，形成了今天看到的柯伊伯带。如果我们在太阳系外的碎片盘中观察到类似的结构，我们就可以用它们来推断不可见的海王星类似物的存在。

我们还可以通过研究行星所在的圆盘来了解更多我们已经知道的行星。HR 8799系统有四颗直接成像的巨大行星，它们在我们自己的小行星带和柯伊伯带之间运行。利用毫米干涉测量法，我们可以解析系统外柯伊伯带模拟物的结构，并确定其内边缘的位置。如果我们假设系统中最外层的行星负责切割圆盘，我们可以利用内边缘的位置来限制行星的可能质量，大约是木星质量的6倍。这似乎不是一个重大的成就，但它比我们以前对行星质量的最佳估计要精确得多，以前的估计依赖于行星如何随着时间的推移而变冷和变暗的理论模型。利用磁盘的结构，我们可以对这些模型进行重要的独立检查。

ALMA对更年轻的原行星盘的观测显示了丰富的详细结构;环和间隙似乎存在于几乎每一个系统中。如果所有这些缝隙都是由行星造成的，我们可以假设存在大量看不见的冰巨行星。然而，将年轻星系的结构与行星直接联系起来是具有挑战性的，因为其他影响使建模工作复杂化。更古老、更进化的系统更容易解释，但到目前为止，这些碎片盘中很少有多环结构。最近，我们在HD 15115碎片盘中发现了一个新的缺口，位于冥王星在我们系统中的轨道之外。动力学模型表明，这一缺口代表了一颗质量略小于土星的冰巨行星。我怀疑，随着我们获得更多这些进化系统的深度、高分辨率图像，更多由行星引起的特征将被揭示出来。

此外，除了星盘的结构，我们还可以研究它们的组成。因为这些圆盘是行星形成的储层和化石记录，它们的组成与这些系统中行星的组成及其形成历史密切相关。许多普通分子由于其分子键的弯曲和拉伸而发出毫米波长的光。科学家们已经在原行星盘中的大型气藏中检测到数十种有机分子(包括一氧化碳、甲醛、甲醇和氨等)。

我们的研究还发现了一个新的谜团:传统上，碎片盘被认为是缺乏气体的，因为它们最初的气藏应该在几百万年内被清除。ALMA揭示了一些碎片盘含有二氧化碳气体，但我们认为这是彗星在圆盘中碰撞的结果，当它们被磨成小尘埃颗粒时，以气体的形式释放出被困的冰。然而，有几个星系挑战了这一图景，因为它们含有如此大量的气体，以至于需要不切实际的高速率彗星碰撞才能产生气体。这一发现提出了一个问题:原始气体有可能在这些圆盘中存在数千万年吗?到目前为止，我们还没有答案。

多波长的未来

作为一名科学家，行星形成研究领域在我身边成长，这对我来说是一件令人兴奋的事情。我开始攻读博士学位时，ALMA第一次将目光投向了天空。随着我们进入多波长天文学令人兴奋的新未来，我开始了我的第一个教职。ALMA彻底改变了我们对星周盘的理解，揭示了几十年前只能猜测的结构和化学成分的复杂性。但ALMA不能回答我们想探索的所有问题。我在这篇文章中讨论的所有碎片盘都是柯伊伯带的类似物，柯伊伯带是太阳系外部区域的冷尘埃环。到目前为止，天文学家们一直在努力成像小行星带的类似物——我们仍然只能通过它们多余的红外光探测到这些特征，就像我们早期用IRAS所做的那样。

为了成像太阳系内部的区域，我们需要更短的波长，对更热的尘埃敏感。詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)将于2021年发射，我们预计它将拍摄到这些小行星带类似物的第一张照片。除此之外，JWST将在直接追踪硅酸盐(矿物如橄榄石和辉石，也在地球上发现)发射的波长下工作，并限制圆盘颗粒的矿物组成。

展望未来，下一代“超大望远镜”正在建造中，这些仪器将在21世纪20年代中后期看到第一道光。这些望远镜的直径将超过24米，比目前任何地面望远镜都要大5倍多，它们可能能够直接成像一些我们现在只能通过ALMA圆盘观测来推断的行星。

天文学和天体物理学十年调查——一项决定未来资助优先事项的领域范围内的努力——目前正在进行中。NASA正在考虑的四项旗舰任务可能会在2030年代及以后在行星科学方面取得巨大进展。起源太空望远镜是一个低温冷却的红外天文台，它可以追踪恒星形成区域的水如何最终进入恒星周围的圆盘，提供低质量圆盘人口的统计数据，等等。其他候选者，如大型紫外/光学/红外探测器和可居住系外行星天文台，都是直接成像任务，可以探测和描述许多系外行星，其中一些可能是类地行星。

不管这些任务最终选择哪一个，我可以肯定的是，我们对太阳系及其形成及其在宇宙系外行星系统中的位置的理解每天都在变化。当你等着看每一个新的观察结果时，你的胃里有一种蝴蝶般的感觉——它永远不会消失。