《自然》专题：尘埃环绕的恒星正在改写行星起源学说

在这幅艺术家描绘的印象画中，恒星摇篮中生长出的行星在一颗年轻恒星周围的气体尘埃盘上蚀刻出一道道光环。

12月4日，《自然》杂志官网刊发了一篇天文学新闻专题文章《These dusty young stars are changing the rules of planet-building》，回顾并阐释了近年来全球天文学家们为解答星系如何形成，如何利用世界各地的天文台来对恒星周围的行星“诞生摇篮”的内部状况进行研究以及他们得到的成果。他们发现，近年来发现的、被尘埃围绕的恒星正在改写人类所认为的行星形成法则和理论。

2014年9月，位于南美洲智利的阿塔卡马射电望远镜阵列（ALMA）捕获到了位于金牛座的高温新生恒星HL Tauri所发出的光子。当天文学家用超级计算机将这些光子拼接在一起时，图像被分解成了一个具有清晰轮廓的环状圆盘，而圆盘上的缝隙似乎是由围绕中心恒星运行的小型行星所蚀刻出来的。这个看上去犹如毛茸茸的橙色土星的天体，实际上一个行星的“诞生摇篮”——新生的行星就诞生在这个围绕HL Tauri的气体尘埃盘中。这一天文发现标志着“行星尘盘成像学”这一新兴领域中一个重大变革的伊始。在那之后的四年里，天文学家们又捕捉获得了许多其他行星系统中“婴儿行星”的图像，这些行星形成的区域也形态各异：有些是具有清晰“赛车跑道”线条的整齐椭圆形，有些则看起来好像旋臂分叉开放成弧形的微型星系。然而，随着所发现的新生行星系统 “行星摇篮”的数量不断增多，全球的研究人员却发现他们的观测结果与当前关于太阳系和其他星系的形成理论之间出现了隔阂与鸿沟。

这是一幅ALMA所拍摄的HL Tauri原行星盘图像，尘盘中的环状凹槽是由年轻恒星HL Tauri周围生长中的行星所蚀刻而成。

太阳系形成的主流理论的开端可以追溯到德国哲学家伊曼努尔·康德（Immanuel Kant）。早在1755年，他就设想太阳和行星诞生于一个由气体和尘埃组成的、慢慢坍塌变平的星云团中。时至今日，被广泛接受的太阳系形成模型认为，太阳是在一个分子云——一个充满气体分子的恒星工厂——中发生坍缩而形成，之后环绕它的气体尘埃环持续存在，当气体尘埃冷却后便逐渐凝结成更大的颗粒，然后聚集成体积更大的、小行星太小的天体，并最终生长形成行星。自上世纪70年代以来，理论学家们一直在细化这一过程的细节，并将太阳系中行星的分布情况和陨石——太阳系形成过程中残留的碎屑——的化学成分考虑其中。到本世纪初，他们已经在理论上将类地行星和气态巨行星的形成方案缩小为两种截然不同的路径模型。

ESO的甚大天文望远镜SPHERE仪器所捕捉到的环绕恒星IM Lupi的尘埃盘。

第一种理论模型被称为“核心吸积”：原行星是通过一系列猛烈的撞击形成的——尘埃和由逐渐聚集、变大的天体在引力的作用下相互吸引碰撞，最后其中一部分发生合并形成行星。第二种理论模型被称为“流动不稳定性”：与引力坍缩方案不同的是，密度的变化导致了固体块天体坍缩成小行星大小的“星子”，然后星子再通过其他方式生长为原行星。但是这两个模型都无法解释今日宇宙中的很多现象，比如木星的形成，并且在天文学家引起了激烈的论战。应运而成的第三种理论模型被称为“卵石吸积”：星子的成长过程起始于较大的星际碎片在尘埃盘中行进时吸附了较小的“卵石”，在引力和水动力的相互作用下，这些小碎片像滚动的雪球一样越滚越大。虽然“卵石吸积”模型能够解释行星如何快速变大的，但是它并没有提供足够的洞见来说明行星种子——最初的雪球——是如何形成的。

围绕恒星HD 135344B旋转的尘埃盘。

2013年，一组英国天体物理学家经观测发现，中等大小的恒星的尘埃盘所含有的物质量要比预期少得多。今年夏天，位于德国的欧洲南方天文台（ESO） 的科学家们发现，银河系中原行星盘的物质量仅占绕类似恒星运行的系外行星总质量的一小部分，有时甚至只有1%，而这就意味着行星系统要比生成它们的天体更为庞大。另外，来自法国尼斯蔚蓝海岸天文台（Cote d’azur Observatory）的动力学家们提出，恒星可能是从原行星盘之外、生成它们的分子云中吸积新的物质。ESO的天体物理学家们在2017年发文称，似乎有两条气体流与HL Tauri的尘埃盘相连。这就表明，恒星和行星在形成和成长的过程中并非与其周围更大的宇宙环境相隔离。研究人员指出：“该尘埃盘并非在一个密封的盒子里，而这对我们理解这些天体有革命性的意义。”

环绕恒星PDS 70运行的气体巨行星所发出的光芒。

虽然天文理论学家们还没有足够的证据去破解这个问题，但是对行星“诞生摇篮”的观测数据还在不断累积。最新的一些发现支持了行星是在其宿主恒星生命早期中形成的观点，而且不同行星的形成位置与其恒星之间的间隔距离的差异也很大。这些研究结果暗示，宇宙比我们目前最先进的天文理论所能预测的还要复杂得多，细节也要丰富得多。一些天文学家们意识到他们十年前所做的理论工作已经不再站得住脚，但是他们目前还不确定应该如何进行修订。

综上所述，由于人类对于原行星盘的观察仍处于初级阶段，所以行星诞生的整个过程可能要比任何人所预期的更为复杂，目前的种种观点与理论在未来还很可能会被一次又一次地推翻重建。

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编译：朱明逸

审稿：阿淼

责编：张梦 

期刊来源：《自然》

期刊编号：0028-0836                                                                                                

原文链接：https://www.nature.com/articles/d41586-018-07591-8

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