行星是这样形成的?

2021年1月11日16:42:51 评论 18
摘要

来源:中国国家天文关于行星系统是如何形成的,以及形成过程与我们现在的太阳系有什么样的联系,是天体物理学中最为基础的问题之一,也是破解我们在宇宙中的地位之谜的关键一环。近年来,得益于开普勒望远镜等系外行星搜索项目的成功,我们已经对宇宙中无处不

来源:中国国家天文

关于行星系统是如何形成的,以及形成过程与我们现在的太阳系有什么样的联系,是天体物理学中最为基础的问题之一,也是破解我们在宇宙中的地位之谜的关键一环。

近年来,得益于开普勒望远镜等系外行星搜索项目的成功,我们已经对宇宙中无处不在的行星系统感到习惯了。然而就在几十年前,我们甚至还不知道太阳系以外是否存在其他行星。那时的天文学家只能用唯一已知的行星系统,也就是我们的太阳系,来构建对于行星形成的认识。

行星襁褓

这张艺术创作中,年轻的恒星周围带有一个由气体和尘埃组成的原行星盘,行星正孕育其中。

我们的太阳系秩序井然,所有的行星都在一个扁平的平面上运动,轨道之间留有足够大的空间。不同类型的行星泾渭分明,内侧是岩石构成行星(水星、金星、地球、火星),外侧是由气体和冰构成的巨行星(木星、土星、天王星、海王星)。正因如此,我们曾经以为:小型的、类地的行星必定会靠近它们的主星,而大个头的、气态的行星必定会位于外侧。我们曾经认为,任何关于行星形成的理论都必须要进行仔细的调节,来得到这样的构造。

太阳系行星示意图

但是,现在我们已经知道,如果一个模型只是基于太阳系这唯一一个系统构建的,那么必定会走上歧路。

自二十世纪九十年代中期发现第一颗系外行星以来,行星系统的多样性不断地刷新我们的认知,比如有的行星是环绕两颗恒星运动的(例如Kepler-16b),而不是一颗;有的行星质量和木星差不多,轨道周期却只有几天(例如Kelper-435b)。我们所居住的太阳系构造规律并不像当初所想的那样放之四海皆准。

DSHARP

这是天文学家用ALMA拍摄的一些原行星盘中尘埃的照片,可以看到缝隙和环状结构很常见,这表明可能正在形成行星。

要想理解行星是如何形成的,我们不能只依赖太阳系这一个系统。天文学家通过分析比太阳年轻得多的恒星周围正在形成的行星观测数据,来追溯行星形成的规律。但是即便如此,除了少数几个特例之外,我们也无法直接观测到正在形成中的行星。原因是由于行星发出的辐射与主星以及所在的气体和尘埃盘比起来还是太暗了。所以天文学家转而在这些原行星盘中搜寻行星正在形成的间接证据。

缝隙中的行星

PDS 70b是目前SPHERE拍摄到的唯一一颗在原行星盘中开辟出缝隙的行星。

原行星盘的观测和太阳系外行星类似,在近年来也得到了蓬勃发展,涌现了很多高水平的观测成果。虽然有一些细节仍然不清楚,但是有一点却愈发明确,那就是系外行星所展现出的丰富的多样性,很可能早在形成初期就已经深深根植于它们所诞生的原行星盘里了。

/传统故事

18世纪的学者如康德(Kant)和拉普拉斯(Laplace)等人,普遍认为太阳系中的行星是在太阳早期周围的一个扁平的盘中诞生的。这个盘称为原行星盘,是恒星形成过程中天然产生的,因为大团的气体和尘埃云会发生坍缩形成原行星,由于角动量守恒,其余的物质就形成了原行星盘。

原行星盘是如何形成的

20世纪末期,广泛接受的理论是原行星盘中的尘埃颗粒会互相碰撞、粘连在一起,构成岩石状的天体,称为“星子”。这些星子会持续不断地长大,最终成为行星核。如果行星核生长得足够快、质量足够大,就会把盘中剩余的气体攫取过来,成为像木星和土星这样的巨行星;而如果行星核的质量不够大,就会形成比较小的、由岩石构成的行星,例如地球。

这种理论框架可以很自然地解释为什么太阳系行星可以分为两种,即内侧较小的行星和外侧较大的行星。因为原行星盘的外围包含的物质更多,并且更容易聚集到一起。这是因为外围距离太阳比较远,温度比较低,所以尘埃颗粒上含有更多的冰质成分,在相互碰撞时就更容易粘在一起(想象一下雪很容易滚成雪球,而干燥的泥土或沙石则不然)。

事实上在恒星形成区中,确实差不多每颗年轻恒星周围都带有一个原行星盘。不过,随着原行星盘的观测不断完善,我们也惊讶地发现,它们和系外行星一样具有复杂的多样性,对传统的行星形成理论中的某些关键部分构成了巨大的挑战。

/愈发清晰的图像

近年来,有两台仪器告诉了我们许多之前从未看到过的原行星盘的细节,这两台仪器分别是阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array ,ALMA),以及光谱-偏振高对比度系外行星探查者(Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research,SPHERE)。这两台仪器所进行的观测截然不同,但是它们所获得的数据相互补充,大大增强了我们对行星形成的认识。

另一个波段下的原行星盘

智利甚大望远镜上的SPHERE成像仪器可以挡住中心恒星的光,对恒星周围的尘埃盘反射的星光进行直接成像。照片显示这些盘的大小和形状各不相同。

ALMA由超过60面天线组成,散布在智利阿塔卡马沙漠中直径达16千米的区域内,组合起来工作,相当于一面非常大的单口径射电望远镜,可以在无线电波段获取高灵敏度、高分辨率的图像。而SPHERE是一台极端自适应光学系统,安装在位于智利帕瑞纳山的甚大望远镜(VLT)上,它能够提供光学和近红外波段的高分辨、高对比度图像。

借助ALMA的高分辨图像,现在我们已经知道,行星盘中的尘埃分布并不像盘表面那么光滑,而是经常存在很多同心的缝隙和环状结构。这些结构中有一些可能是正在形成中的行星制造出来的,因为行星在沿着轨道运动时会在尘埃盘中开辟出一条通道。根据盘中的结构,我们就可以用详细的计算机模拟来推算出行星的质量。除了这些同心缝隙和环状结构以外,ALMA还探测到了尘埃分布中有许多漩涡、旋臂、以及巨大的空心内腔等结构,这些都可以用不同轨道和大小的行星来解释。但是要想直接观测到这些正在形成中的行星却极端困难。SPHERE只探测到了其中的一个,即PDS 70b 。

尽管ALMA和SPHERE提供了前所未有的高分辨率图像,对于绝大部分原行星盘来说,我们仍然无法探测到相比木星轨道更靠近恒星区域,也就无从得知地球这样的行星是如何形成的。

/雪线有话说

我们到目前为止只讨论了原行星盘中的尘埃成分,因为它们比较容易观测。然而气体占到了原行星盘全部质量的99%,并且在行星形成的很多关键物理过程中占据了主导作用,主宰了行星核和大气的化学组成,并且对生命的起源和行星宜居性有着深远影响。

气体的主要成分——氢气(H2)很大程度上对我们来说是看不见的,因为原行星盘的大部分温度都太低,无法激发氢分子的辐射。直到ALMA开始工作后,我们才开始能够详细地研究原行星盘的化学性质。

ALMA时代的一个主要研究焦点就是雪线。雪线是原行星盘中的温度发生转变,使某种化学成分(例如水、二氧化碳、一氧化碳等)从气态凝结成固态的位置。雪线对行星形成来说举足轻重,因为它们决定了原行星盘不同位置形成不同的行星种类。

原行星盘的组成

在原行星盘的中心,星光驱散了尘埃,只留下一个充满气体的空洞,围绕在恒星周围。这些气体不断地吸积到中心恒星上。在比较远的地方,尘埃聚集在一起,并且沉淀在盘面。在雪线以外,冰的存在会让尘埃颗粒变得比较粘,从而加速了巨行星的生长。

例如,水分子在水的雪线以外凝结成了固体颗粒,不仅能够为行星的核心提供固态原料,也能让颗粒变得更粘、更容易生长。这种效应也表现在我们的太阳系,太阳系的雪线以内是类地行星,雪线以外是巨行星。雪线也能够决定行星核以及大气的化学组成。例如,在温度较低的外盘形成的巨行星,大气中就比较缺乏容易挥发的化学成分,例如水和一氧化碳,因为这些成分已经凝结成了固体,被锁在了行星的核心。

因此,我们能够利用行星大气的化学成分来研究行星是在哪里形成的,是否发生了迁移过程,运动到了当前的位置上。

/酝酿一颗行星

天文学家正在研究的一个重要问题是行星形成的速率有多快。

二十一世纪初期,斯皮策红外望远镜进行的大规模巡天表明,几乎所有年龄为100万年的恒星都带有原行星盘。但是年龄为500万年的恒星,只有20%带有原行星盘,而对于年龄为1000万年的行星,这一比率下降到只有5%,除此之外别的恒星周围的盘都消失了。因此天文学家认为大部分行星都是在最初500万年以内形成的。这是一个非常严格的时间尺度,因为理论模型必须要在这么短的时间内产生出行星。不过ALMA和SPHERE最新的观测结果表明,行星形成的过程甚至比我们基于斯皮策望远镜得到的结果还要快一些。

金牛座HL周围的原行星盘

最明显的例子是金牛座HL周围的原行星盘,这也是ALMA使用全部解析能力拍摄的第一幅原行星盘的照片。这个系统的年龄只有100万年,其中原恒星仍然被原生的星云所层层包裹着,仍然有物质源源不断地掉到正在形成的恒星以及原行星盘上。尽管如此,ALMA依然能够穿透气体云,观测到一个带有很多同心圆环和缝隙的原行星盘。

如果这些缝隙是正在形成的行星“雕刻”出来的,那么就说明行星是在恒星和盘正在形成的时候同步形成的,其诞生只需要几十万年,而不是几百万年的时间。我们太阳系中所找到的一些证据同样支持行星快速形成的理论。通过追溯不同陨石的年龄可以得到木星核心的年龄,结论是在太阳系诞生一百万年的时候,木星核就已经形成了。

科学家还认为,大约有10倍地球质量的冰、岩石、金属形成了早期的木星核,也就是说星子和行星核的生长甚至比一百万年还要早。如果行星是与恒星和原行星盘同时形成的,那么行星形成模型就需要从根本上进行修改。

前不久ALMA首次探测到了原行星盘中组成行星的物质下落到缝隙中的信号。据推测,缝隙中应当有一颗年轻的行星。这个结果让我们对未来充满期待。我们将会把地面望远镜与未来的空间望远镜结合起来,将太阳系置于银河系众多行星系统当中来重新审视,而不再是仅仅以太阳系去推测其他的行星系统。

匿名

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