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長期以來科學家們都試圖在圍繞恒星運行的原行星盤中找到年輕行星存在的跡象。這有關(guān)于行星形成的基本問題，也能夠解釋地球如何誕生。然而，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，其難度就像發(fā)現(xiàn)遠距離聚光燈下的螢火蟲一樣困難。

在過去的兩個半世紀里，科學家們設(shè)想了行星系統(tǒng)（包括我們自己的地球）的起源，主要集中在一個特定的場景上：圍繞著一顆新生恒星旋轉(zhuǎn)的圓盤，行星逐步從氣體和塵埃中形成，就像陶輪上的粘土一樣。

但是就驗證這個想法而言，科學家在現(xiàn)實中是否能夠通過觀測旋轉(zhuǎn)物質(zhì)，從而發(fā)現(xiàn)一顆系外行星聚結(jié)物？然而并沒有那么好的運氣。 “現(xiàn)在，大家都說行星是在原行星盤中形成的，”亞利桑那大學天體物理學家董若斌（音譯，Ruobing Dong）說，“從技術(shù)上講，這句話只存在于理論當中?！?/p>

過去幾年的研究進展表明，這不會長期停留在理論層面?？茖W家組成的研究團隊利用安裝在巨型地面望遠鏡上的第二代儀器，終于揭開了一些原行星盤內(nèi)部區(qū)域的神秘面紗，發(fā)現(xiàn)了意想不到的神秘圖案。

今年4月11日，歐洲南方天文臺發(fā)布了8張圍繞年輕類日恒星旋轉(zhuǎn)的原行星盤圖像，或許能夠簡介說明我們自己的太陽系在形成初期看起來是什么樣子。

這些圖像雖然沒有顯示出行星發(fā)出的清晰光點，但是其他跡象卻間接暗示著行星可能孕育其中。有些原行星盤就像黑膠唱片一樣，其間的螺旋、裂縫似乎留有年輕行星存在的印記。而其他照片中，恒星的光芒照亮了行星盤的頂部和底部，形成類似溜溜球的結(jié)構(gòu)。

如果天文學家能夠在這樣的地方找到一顆胚胎行星，那么對天文學的影響將是深遠的。其不僅能夠證明天文學最根深蒂固的觀點之外，對行星形成的位置以及大小進行的精確測量也有助于明晰行星的起源問題。

一種被稱為核心聚積的行星形成理論認為，行星的形成非常緩慢，主要在巖石核心周圍以及靠近恒星的區(qū)域凝聚。而另一種理論則認為原行星盤中的引力分布并不均衡，意味著可以很快聚合起巨大的行星，從而遠離恒星。目前，這些想法可以用來測試我們的太陽系內(nèi)和太陽系外當前行星的分布情況。但是，在行星有機會遷移和重新排列之前，他們從未研究過相應(yīng)進程。

一個巨型行星似乎潛藏在一個名為CS Cha的系統(tǒng)中。

這為研究行星形成系統(tǒng)的天文學家們帶來了一個尚未解決的一致性問題。觀測宇宙中那些昏暗，遙遠，凌亂的原行星盤，找到孕育中的行星。最后，經(jīng)過幾個世紀的預(yù)測和構(gòu)想，開始解開在宇宙中創(chuàng)造無數(shù)世界的基本過程。

直接探測

當你在原行星盤中尋找行星時，很容易讓自己相信正在看著它們。研究這些原行星盤的天文學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多隱藏在其間的光斑。例如就在5月6日，一個國際團隊報告稱，一個巨型行星潛藏在一個名為CS Cha的系統(tǒng)中。但現(xiàn)在這些光斑仍然只是行星的潛在候選者，而不是被證實的真實世界。

“我們處于技術(shù)的最前端，”阿默斯特學院的天文學家凱瑟琳·福萊特（Katherine Follette）說，“對于嵌在原行星盤中的行星而言，其中每一個都存在巨大的爭議?！?/p>

這種模糊性與那些讓這些行星變得特別的混亂環(huán)境密切相關(guān)。

天文學家使用的最先進探測儀器是SPHERE，這是一個由巨大天文望遠鏡組成的大型探測儀器，安裝在智利阿塔卡馬沙漠中，捕獲到了最近8張原行星盤圖像。另一個先進儀器是安裝在智利山區(qū)的雙子星行星圖像儀（GPI），也是福萊特的工作地。

兩者都是為了捕捉恒星周圍行星的光子而設(shè)計的，和大多數(shù)研究系外行星的技術(shù)有所不同，這些設(shè)備更依賴于間接信號。這兩種設(shè)備都能夠根據(jù)觀測結(jié)果生成最容易解釋的數(shù)據(jù)。

圍繞著TW - Hydrae的原行星盤中擁有可能隱藏行星的光環(huán)裂縫。

這些設(shè)備需要特殊的方法從明亮的恒星周圍辨識出行星發(fā)出的微弱光芒，就像是在距離很遠的聚光燈邊緣發(fā)現(xiàn)一只螢火蟲一樣。科學家在設(shè)備中采用了自適應(yīng)光學技術(shù)，這是一種跟蹤大氣波動的技術(shù)，然后實時扭曲儀器的光學系統(tǒng)進行補償。這可以消除地球大氣中的擾動，使夜空中采集的圖像達到更高的分辨率。他們也會使用日冕儀等設(shè)備來擋住恒星發(fā)出的光芒。

圖示：過去幾年來，福萊特和同事們一直試圖分析這些錯誤信號。他們還研究了令人困惑的行星候選者，其中一些行星候選者似乎和普通行星不太一樣，并沒有根據(jù)開普勒運動定律圍繞恒星旋轉(zhuǎn)。

最重要的是，這些尋星相機還采用了另一種稱為差分成像的技巧。例如，SPHERE通過不同的偏振濾光器同時拍攝兩幅照片。星光本身并不會發(fā)生偏振，所以圖像中的兩顆恒星看起來都是一樣。它可以被抵消。但是當光線散射時，它會發(fā)生極化，這使得天文學家可以將那些從原行星盤或行星上反射的光線凸顯出來。

然后計算機算法會對剩下的光點進行檢索。但是當在原行星盤中尋找行星時，這些算法可能會將星簇和星云與行星混淆在一起。

過去幾年來，福萊特和同事們一直試圖分析這些錯誤信號。他們還研究了令人困惑的行星候選者，其中一些行星候選者似乎和普通行星不太一樣，并沒有根據(jù)開普勒運動定律圍繞恒星旋轉(zhuǎn)。

與此同時，還有另外一條尋找孕育中行星的路徑正在平行展開。雖然SPHERE和GPI并沒有明確發(fā)現(xiàn)一個成形的新世界，但他們已經(jīng)成功地獲得了最原始的原行星盤本身的圖像。

最后經(jīng)過仔細觀察，這些原行星盤承載著一種可能與行星形成有關(guān)的奇異特征?！斑@已經(jīng)完全改變了游戲規(guī)則，”加州理工學院天體物理學家康斯坦丁·巴特金（Konstantin Batygin）說，“這是革命性的?！?/p>

圍繞年輕恒星的原行星盤有多個同心環(huán)。天文學家認為，新形成的行星正在形成這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

問題在于將這些特征與假定的行星聯(lián)系起來并非易事。“我們往往把原行星盤看作行星形成的標志，”福萊特說，“但是即便如此，我們還不知道該如何解釋?！?/p>

螺旋搖籃

2012年，天文學家首次觀測到一種引人注目的模式。至少六個原行星盤中，似乎有一些氣體和塵埃形成了像螺旋星系手臂一樣的東西。

天體物理學家主要有兩個觀點來解釋這些旋臂是如何形成的。兩者都借鑒了幾十年來的星系螺旋理論。根據(jù)這個理論，圍繞新生恒星旋轉(zhuǎn)的氣體和塵埃開始逐步聚積。然而，開始必須有因素觸發(fā)。

天文學家們已經(jīng)提出，在恒星周圍的原行星盤中——這些原行星盤的重量至少是恒星的四分之一——重力不穩(wěn)定性可能會導(dǎo)致氣體和塵埃堆積成螺旋狀臂。但研究人員發(fā)現(xiàn)許多形成螺旋狀臂的原行星盤似乎遠低于這個質(zhì)量閾值，暗示另一種機制可能正在起作用。

也許是一個隱藏的因素。 2015年，由亞利桑那州天體物理學家董若斌（音譯，Ruobing Dong）領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組開展了模擬研究，展示了一個比木星稍大的巨大行星也能觸發(fā)螺旋臂。這顆行星位于一只旋臂的頂端，并沿著行星圍繞著恒星的軌道拖動螺旋臂。如果事實是這樣的話，每一個螺旋臂就像是一個巨大的箭頭指向該領(lǐng)域的最終目標——一個正在孕育形成的行星。

2016年，董的團隊發(fā)現(xiàn)了一個證據(jù)，證明這些螺旋臂可以由一個巨大的星體引發(fā)。在這種情況下，圍繞恒星HD 100453的觸發(fā)物體是一顆矮星，其比行星更容易被發(fā)現(xiàn)。這顆矮星是相關(guān)概念的佐證，“之后，人們開始更加相信模型，”董說。

在螺旋臂的頂端找到一顆行星就會達成共識，但天文學家仍在等待這一天的到來。最近《天體物理學雜志》上發(fā)表的一篇論文中，由約翰霍普金斯大學研究員任斌（音譯，Bin Ren）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組收集并分析了十多年來MWC 758螺旋變化的數(shù)據(jù)。

任的分析顯示，在這段時間內(nèi)，整個原行星盤可能略有旋轉(zhuǎn)，每年大約為六十分之一度。 任推測這種旋轉(zhuǎn)源自旋臂頂端的一顆巨大行星，其大約600年繞恒星運行一周。如果真的是這樣的化，這樣一顆行星仍然處于隱藏狀態(tài)。

當然，即使螺旋確實與行星有聯(lián)系，它們也不會指向所有的新世界。在模擬中，只有巨大的行星足夠吸引螺旋圖案的指向。而更小的行星將不得不通過其他手段被發(fā)現(xiàn)，而且并不是所有的原行星盤都有螺旋線。

圍繞恒星MWC 758的旋臂可能是由一個巨大的行星在一條旋臂的頂端形成的。

例如，類日恒星周圍的原行星盤普遍沒有螺旋臂。（海德堡馬克斯普朗克天文學研究所的亨寧阿文豪斯指出，這表明在螺旋形成的過程中，更多大質(zhì)量恒星來的效率會更高。）但是這些原行星盤卻展示了其他更有價值的東西：裂縫。

裂縫中的行星

2014年秋天，天文學家智利安第斯山脈的無線電天線ALMA，他們決定在他們所能找到的最大原行星盤上進行訓(xùn)練。后來，當ALMA用于探測一個名為HL Tauri的系統(tǒng)時，產(chǎn)生了包含空白間隙和厚環(huán)的圖像，后來在一次ALMA內(nèi)部會議上展出。

“會議的剩下時間我們都在討論HL Tau，”智利迭戈波塔勒斯大學天文學家盧卡斯·謝薩（Lucas Cieza）說。與會的科學家們反復(fù)爭論這些裂縫是否是由行星產(chǎn)生的。 ALMA科學家后來研究了另一個名為TW Hydrae的系統(tǒng)圖像，這些系統(tǒng)在更高的細節(jié)上顯示出類似的裂縫。但是這兩個系統(tǒng)都無法解決裂縫是由行星還是其他因素造成的問題。 “爭論仍在進行中，”謝薩說。

ALMA天文臺的66根天線在智利安第斯山脈的Chajnantor高原上空搜索夜空。

就像螺旋一樣，行星和其他效應(yīng)都可以形成裂縫。一顆行星可能會在數(shù)千年至數(shù)百萬年的時間里創(chuàng)造出一道裂縫。當它繞著公轉(zhuǎn)軌道運行時，其引力既會將原行星盤中的物質(zhì)拉向自身，也會將這些物質(zhì)從原有的運行軌道上分散開來，留下一道裂縫。

這種引力的侵蝕效應(yīng)是累積的。加州大學伯克利分校(University of California, Berkeley)天體物理學家杰弗里·馮(Jeffrey Fung)表示，雖然形成螺旋需要比木星更大的行星體，但海王星，甚至于地球大小的行星就足以形成明顯的裂縫。

“所有這些行星都有可能制造出足夠大的裂縫，我們可以用今天的儀器輕松觀察到這些裂縫，”他說。至關(guān)重要的是，這些裂縫可能是研究小行星形成的唯一短期機會，在原行星盤上直接觀測到這類小行星遠比發(fā)現(xiàn)木星大小的行星更困難。

除了行星之外，還有什么能夠造成這些裂縫呢？原行星盤的磁場可能會形成湍流區(qū)域，從而將其中的物質(zhì)從變成空的磁性“死區(qū)”中清除出去。而化學物質(zhì)的突然變化也可能會導(dǎo)致類似于行星產(chǎn)生的裂縫。例如，一個星系的雪線往往標記著內(nèi)外行星盤的界限。在熾熱的內(nèi)部，水以水蒸氣的形式存在，而在外部行星盤則是以固體形式存在。諸如一氧化碳和氨等化合物也會出現(xiàn)類似的變化。

目前正在智利建造的超大型望遠鏡能夠用激光讓研究人員“掃視”整個深空。

這種情況使得天文學家不得不堅持尋找答案。馮表示：“最好的情況是我們能夠真正觀測到存在于裂縫之中的行星?！睆募夹g(shù)上講，目前的技術(shù)本身并不足以直接發(fā)現(xiàn)這樣一顆行星，而只能發(fā)現(xiàn)圍繞行星旋轉(zhuǎn)的小行星盤。如果這樣的信號能夠與螺旋或裂縫建立聯(lián)系，這將有助于觀察者將類似的原行星盤特征用于尋找更多新行星。

等待的時間可能不會太長。 “我所看到的最令人興奮的事情并沒有發(fā)生，”謝薩拒絕就具體情況發(fā)表評論，“但我們預(yù)計未來幾個月會有很多非常令人興奮的事情發(fā)生。”

新一代望遠鏡或許能夠提供幫助。詹姆斯韋伯太空望遠鏡將能夠在紅外波長范圍內(nèi)觀測原行星盤內(nèi)部并直接尋找行星。最近其發(fā)射再次推遲到2020年。

斯坦福大學教授，負責GPI團隊的布魯斯·麥金托什(Bruce Mac-intosh)表示，對于30米級天文望遠鏡而言，捕捉行星形成是“一個美麗的科學案例”。像智利目前正在建造的超大望遠鏡（Extremely Large Telescope）這種規(guī)模的天文臺將能夠觀測原行星盤內(nèi)更小的結(jié)構(gòu)。

董表示，一旦這些項目開始運行，如果確定了行星如何形成，那將是“突破性的”。這個關(guān)于世界誕生的問題目前依舊是未加驗證的故事，但終究將會在真實的時間，真實的數(shù)據(jù)中得到檢驗， “這與我們來自哪里的本質(zhì)問題相關(guān)?！?/p>