一顆行星的誕生

苗千

關(guān)于一顆行星是如何誕生的，天文學(xué)家們?cè)缬辛烁鞣N理論和模型對(duì)之進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，但是想要直接觀察到宇宙中一顆行星的誕生過(guò)程，卻只能算是一件可遇而不可求的事情了。主要原因有兩個(gè)：一是太陽(yáng)系外的恒星與行星系統(tǒng)大多距離地球太過(guò)遙遠(yuǎn)，動(dòng)輒數(shù)百光年，想要在地球上利用天文望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行直接觀測(cè)非常困難;二是行星圍繞著恒星運(yùn)行，兩者的亮度對(duì)比猶如螢火蟲(chóng)之于燈塔——想要在燈塔旁邊觀測(cè)到一只螢火蟲(chóng)的光亮，難度可想而知。

正是因?yàn)槿绱耍?018年6月29日和30日在《天文與天體物理》（Astronomy & Astrophysics）雜志發(fā)表的兩篇論文才會(huì)迅速在天文學(xué)界引起極大的關(guān)注。這兩篇論文出自?xún)蓚€(gè)同屬于德國(guó)馬克思·普朗克天文學(xué)研究所（Max Planck Institute for Astronomy）的研究小組，文中報(bào)告了天文學(xué)家們利用建造在智利的歐洲南方天文臺(tái)（The European Southern Observatory）的超大望遠(yuǎn)鏡上安裝的“光譜偏振測(cè)定高對(duì)比度系外行星探測(cè)”（Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research，簡(jiǎn)稱(chēng)SPHERE）設(shè)備，第一次發(fā)現(xiàn)了一顆正在形成過(guò)程中的行星。論文中所展示出的照片非常清晰且具有說(shuō)服力，讓人們第一次真正“看到”了在數(shù)百光年之外，一顆行星的誕生。

這兩篇論文中的第一篇《在PDS 70周?chē)倪^(guò)渡盤(pán)間隙中發(fā)現(xiàn)行星質(zhì)量的伴星》（Discovery of a Planetary-mass Companion Within the Gap of the Transition Disk Around PDS 70），介紹了天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)這顆新生行星的過(guò)程，緊接著第二篇《PDS 70周?chē)^(guò)渡盤(pán)間隙中的行星軌道和大氣層性質(zhì)》（Orbital and Atmospheric Characterization of the Planet Within the Gap of the PDS 70 Transition Disk）則介紹了天文學(xué)家們對(duì)這顆行星具體性質(zhì)的觀測(cè)和推測(cè)。

真正觀察到一顆行星的誕生過(guò)程，讓天文學(xué)家們終于可以不再紙上談兵，只是通過(guò)各種理論和模型來(lái)推演行星的形成和演化，而是能夠利用觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)于行星的形成，天文學(xué)界一直以來(lái)都有一個(gè)“星云假說(shuō)”（Nebular Hypothesis），這個(gè)起源于德國(guó)哲學(xué)家康德的假說(shuō)認(rèn)為，宇宙中聚集的灰塵和氣體在引力的作用下逐漸收縮擠壓，最終形成恒星，而剩余物質(zhì)圍繞著恒星運(yùn)轉(zhuǎn)，形成一個(gè)“原行星盤(pán)”（Protoplanetary Disc），這些剩余物質(zhì)也正是構(gòu)成圍繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的行星系統(tǒng)的材料，堪稱(chēng)行星加工廠。

7月4日，歐洲南方天文臺(tái)在智利的超大望遠(yuǎn)鏡捕獲了第一張PDS 70恒星周?chē)律鷥盒行菆D像

天文學(xué)家們?cè)?012年首先發(fā)現(xiàn)了一顆名為“PDS 70”的年輕恒星。根據(jù)測(cè)量，它的年齡僅僅為1000萬(wàn)年左右（相比之下地球的年齡已經(jīng)超過(guò)了40億年）。幾個(gè)研究小組由此選定了這顆恒星作為研究對(duì)象，定期對(duì)它進(jìn)行觀測(cè)。一方面，這個(gè)位于半人馬座（Centaurus Constellation），距離地球370光年的“PDS 70”屬于橙矮星（Orange Dwarf），相對(duì)亮度不高，更容易發(fā)現(xiàn)它附近的行星;另一方面，天文學(xué)家們?cè)谶@顆年輕恒星的周?chē)l(fā)現(xiàn)了擴(kuò)展范圍達(dá)到130個(gè)天文單位（地球與太陽(yáng)的距離為一個(gè)天文單位）的“過(guò)渡盤(pán)”（Transition Disk）。所謂“過(guò)渡盤(pán)”，是指有間隙存在的原行星盤(pán)，而間隙的存在就說(shuō)明在這個(gè)范圍內(nèi)可能有行星正在形成，正在逐漸吸收著周?chē)奈镔|(zhì)。

2016年，馬克思·普朗克天文學(xué)研究所的一個(gè)研究小組重新檢查他們?cè)?015年觀測(cè)“PDS 70”時(shí)獲得的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行重新處理，發(fā)現(xiàn)了恒星附近有一個(gè)明顯的亮點(diǎn)。經(jīng)過(guò)確認(rèn)，這正是每一個(gè)行星天文學(xué)家都?jí)裘乱郧蟮陌l(fā)現(xiàn)：一顆正在形成過(guò)程中的行星——人們暫且將它命名為“PDS 70b”。

在裝備了SPHERE設(shè)備之后，天文學(xué)家不僅能夠利用“日冕”（Coronagraph）方法遮擋住行星臨近恒星的光線(xiàn)，還可以在各個(gè)頻率范圍內(nèi)觀測(cè)行星，探測(cè)行星的各種性質(zhì)。數(shù)據(jù)顯示，“PDS 70b”是一顆炎熱的氣體行星，它不僅比太陽(yáng)系內(nèi)的任何一顆行星距離恒星都更遙遠(yuǎn)，也更加炎熱。對(duì)大氣層的探測(cè)顯示，這顆行星的表面溫度可以達(dá)到1000攝氏度以上。因?yàn)榫嚯x恒星遙遠(yuǎn)，這顆比木星大出幾倍的氣體行星圍繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)一圈需要120年的時(shí)間。

在此之前，天文學(xué)家們?cè)?jīng)觀測(cè)到過(guò)恒星周?chē)脑行潜P(pán)，也探測(cè)到過(guò)行星發(fā)射的光譜信息，但是首次真正觀測(cè)到行星的誕生，終于確鑿證實(shí)了天文學(xué)家們一直以來(lái)的猜想：行星確實(shí)誕生于圍繞著年輕恒星的灰塵和氣體材料之中。人們終于可以詳細(xì)了解行星的初生過(guò)程，這也讓人們能更細(xì)致地理解太陽(yáng)系自身的演化過(guò)程。可以說(shuō)，SPHERE設(shè)備開(kāi)啟了人類(lèi)天文學(xué)探測(cè)的一個(gè)全新領(lǐng)域。人類(lèi)不僅將會(huì)不斷發(fā)現(xiàn)新的地外行星，也將會(huì)獲得越來(lái)越多這類(lèi)天體的直接圖像。

行星“PDS 70b”的發(fā)現(xiàn)，除了其重要的天文學(xué)意義之外，也可以說(shuō)是一次技術(shù)的勝利。天文學(xué)家們花費(fèi)了超過(guò)10年時(shí)間開(kāi)發(fā)用來(lái)探測(cè)行星的SPHERE設(shè)備，它被專(zhuān)門(mén)用于地外行星的直接成像，還可以發(fā)現(xiàn)在恒星周?chē)苫覊m和氣體構(gòu)成的圓盤(pán)，這都需要極高超的光學(xué)手段。自1990年以來(lái)，人類(lèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過(guò)1000顆地外行星，但其中只有極少數(shù)的幾顆可以被直接成像。成像最大的困難就在于行星臨近恒星的光芒通常會(huì)掩蓋住行星的痕跡，而SPHERE設(shè)備則通過(guò)分析來(lái)自恒星直接發(fā)射的光線(xiàn)與被行星反射光線(xiàn)中偏振性質(zhì)的不同，設(shè)計(jì)出一個(gè)獨(dú)特的濾波器，阻擋住來(lái)自恒星的光線(xiàn)，使恒星的形象在照片中成為一片黑色，從而突出行星的光線(xiàn)。