超級(jí)地球，解謎行星誕生的鑰匙？ | 天問專欄
? 行星的誕生之地——環(huán)繞年輕主星的原行星盤[1]
編者按
我們的太陽(yáng)系以及系外行星是如何形成的？以ALMA為代表的新一代天文儀器，或許能為提供我們新的思路，解開超級(jí)地球統(tǒng)計(jì)之謎。天問專欄第十期，帶你一窺由超級(jí)地球給予我們的關(guān)于行星形成的啟示。
撰文 | 鄭曉晨（清華大學(xué)）
責(zé)編 | 呂浩然
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行星的誕生地——原行星盤
行星是如何形成的？實(shí)際上，這個(gè)問題很難給出確切的答案。
即使隨著行星探測(cè)技術(shù)的日臻進(jìn)步，尤其是在美國(guó)宇航局開普勒空間望遠(yuǎn)鏡等觀測(cè)手段的幫助下，已經(jīng)有數(shù)以千計(jì)的行星被探測(cè)發(fā)現(xiàn)，但是這些已探測(cè)到的行星所處的系統(tǒng)都相對(duì)古老，很多行星已然圍繞其主星運(yùn)行了幾十億年，如同我們的太陽(yáng)系一樣。
所以，現(xiàn)有的行星觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)，告知我們的多是中、老年行星群體的生存現(xiàn)狀。至于它們是如何誕生的，我們?nèi)匀恢跎佟?/p>
為了尋求這一問題的答案，天文學(xué)家不得不將注意力集中到行星的誕生之地——原行星盤。在這里，新的行星正在孕育。
原行星盤的演化
?圖1：原行星盤的演化[2]。(a) 初始狀態(tài)：盤中的塵埃（小于1微米）處于未演化的原始狀態(tài)，與氣體混合均勻；（b）盤中塵埃逐漸成長(zhǎng)成毫米大?。ɑ蚋螅┑念w粒并沉積到盤的中平面；（c）盤中氣體密度逐漸降低，并被主星輻射吹散；（d）氣體完全耗盡，留下一個(gè)分布著塵埃和星子（或已形成的行星）的碎片盤。
原行星盤的形成，始于大量星際氣體和塵埃在引力作用下的凝結(jié)坍縮。在原行星盤的中央，是一顆閃閃發(fā)光的年輕主星，年齡不過幾百萬年，在環(huán)繞其周圍的氣體（塵埃）盤中，微塵粒子逐漸聚集形成砂粒， 砂粒進(jìn)一步粘連形成卵石， 卵石又不斷堆積形成小行星（asteroids）甚至行星，最終組成類似于太陽(yáng)系的行星系統(tǒng)。
原行星盤壽命短暫，隨著盤內(nèi)物資的耗散而消弭（圖1），其存在時(shí)標(biāo)一般認(rèn)為不到千萬年。這一判定，主要是基于當(dāng)前的觀測(cè)，畢竟我們現(xiàn)在探測(cè)到的，有原行星盤環(huán)繞的系統(tǒng)，主星年齡往往僅有數(shù)百萬年 。
至于原行星盤“從有到無”的過程具體是如何發(fā)生的，目前學(xué)界尚無定論。不過，對(duì)于原行星盤上的大部分物質(zhì)而言，最可能的歸宿應(yīng)該是被主星吸積。當(dāng)然，也有一小部分會(huì)因主星輻射而四處飄散，至于剩下的部分則應(yīng)用于行星形成。
原行星盤的觀測(cè)
在原行星盤短暫的數(shù)百萬年時(shí)光中，塵埃和氣體充斥其間。它們的存在，為行星的形成提供了成長(zhǎng)的溫床，也為我們探知原行星盤的結(jié)構(gòu)提供了可能。
要知道，原行星盤中的塵埃粒子一方面會(huì)吸收（或散射）來自主星的光，另一方面也會(huì)向外熱輻射。而近紅外自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)（NIR adaptive optics）結(jié)合阿塔卡瑪大型毫米波／亞毫米波天線陣（the Atacama Large Millimeter／submillimeter Array，簡(jiǎn)稱ALMA），恰好可以探測(cè)到這些塵埃粒子的紅外輻射。
ALMA天線陣位于智利，由66個(gè)直徑7米和12米的無線電天線組成，在原行星盤觀測(cè)方面功勛卓著。它分別于2014年和2016年基于圖像探測(cè)到了HL Tauri和TW Hydrae這兩個(gè)系統(tǒng)（圖2），也是人類目前了解最清楚的兩個(gè)原行星盤。
?圖2：HL Tauri（左）和TW Hydrae（右）周圍的原行星盤[4]。其中，HL Tauri的主星屬于金牛座，年齡約為一百萬年，距離地球450光年；TW Hydrae隸屬于長(zhǎng)蛇座，距地球194光年，是同類型系統(tǒng)中距離地球最近的恒星，年齡約為幾百萬年。ALMA的觀測(cè)圖像表明， 這兩個(gè)原行星盤的子結(jié)構(gòu)類似，均有一系列同心亮環(huán)，且其中一對(duì)暗溝距離很近（箭頭區(qū)域）。圖中距離標(biāo)尺1 AU，即一個(gè)日地平均距離（約為1.5億公里）。
原行星盤中的行星暗示
盡管目前觀測(cè)到的原行星盤都是非?？拷厍虻男律到y(tǒng)，但對(duì)于這些年輕的前主序星而言，因其磁場(chǎng)活躍、吸積劇烈，所以以現(xiàn)有的觀測(cè)手段，即使利用高效的掩星法和視像速度法，也很難從紛繁的光噪音中直接辨別出一顆（或幾顆）行星。
在不久的將來，直接成像法或有潛力可探測(cè)到原行星盤中正在形成的行星（特別是利用NASA2018年將要發(fā)射的詹姆斯韋伯空間望遠(yuǎn)鏡），但至少目前直接觀測(cè)還十分困難 。 所以，天文學(xué)家多傾向于根據(jù)觀測(cè)原行星盤所呈現(xiàn)的子結(jié)構(gòu)，來推測(cè)行星的存在。
目前，有三種形式的原行星盤子結(jié)構(gòu)最可能與行星的形成有關(guān)：暗溝（亮環(huán)、圖2）、密度波（圖3）、漩渦（圖4）。
?圖3：環(huán)繞在新生恒星Elias 2-27周圍的原行星盤。ALMA觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了其旋臂特征，可能由于盤內(nèi)的重力擾動(dòng)——密度波造成[5]。
?圖4：年齡只有一百萬年左右的極年輕恒星HD 142527周圍的塵埃盤分布，其中上方的明亮結(jié)構(gòu)可能是一個(gè)大質(zhì)量行星激發(fā)產(chǎn)生的漩渦。圖中圓環(huán)結(jié)構(gòu)的半徑約為140個(gè)AU[6]。
本文主要討論暗溝這一子結(jié)構(gòu)與行星形成的關(guān)系。
目前對(duì)于行星盤中的溝、環(huán)結(jié)構(gòu)存在各種不同解釋，但顯然，這些子結(jié)構(gòu)中蘊(yùn)含的有關(guān)行星形成的暗示才是最吸引人的部分?？梢韵胂?，一個(gè)行星在環(huán)繞其主星運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，將借助其自身的勢(shì)能，將大部分塵埃粒子和氣體踢出（或吸積）其軌道勢(shì)力范圍，清理出一個(gè)無障礙通道，也就是我們?cè)谟^測(cè)上所看見的“暗溝”。
至于這些暗溝的形狀和深淺則反映了行星與盤之間相互作用的過程，這與行星的質(zhì)量及盤的性質(zhì)（包括盤的標(biāo)高、粘滯系數(shù)等）密切相關(guān)。
原行星盤中的雙溝構(gòu)型
如果原行星盤中發(fā)現(xiàn)了單一的大暗溝，則這一暗溝很可能是由其間存在的一個(gè)或多個(gè)質(zhì)量較大的氣體巨行星，利用勢(shì)能清掃得到的。但對(duì)于一些原行星盤，觀測(cè)中所呈現(xiàn)出的奇特多溝細(xì)節(jié)，卻很難采用現(xiàn)有的行星形成模型來解釋。
比如在由ALMA探測(cè)到的HL Tauri原行星盤中，有一對(duì)被證認(rèn)的暗溝，分別位于距中心64 AU和74 AU處，兩條暗溝不僅狹窄，而且間距較小。同樣的情況，也出現(xiàn)在TW Hydrae原行星盤的觀測(cè)中，分別位于37 AU和43 AU處，彼此非常接近（圖2箭頭標(biāo)示位置）。
根據(jù)傳統(tǒng)的行星形成理論，如果這些暗溝的存在是由于行星的勢(shì)能清掃所致，那么這也意味著，系統(tǒng)中至少存在兩顆行星，且二者軌道極為靠近，顯然，這樣的行星布局將觸發(fā)整個(gè)行星系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定。
雙溝成因——超級(jí)地球？
有趣的是，今年7月13日，以亞利桑那大學(xué)史都華天文臺(tái)（University of Arizona's Steward Observatory）博士后董若冰博士為首的科研團(tuán)隊(duì)（成員：洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室李勝臺(tái)、李暉博士，加州大學(xué)伯克利分校蔣詒曾教授）在《天體物理學(xué)報(bào)》上發(fā)表了一篇文章，提出了一種全新的可能：即使單個(gè)的“小質(zhì)量”行星，也可以造成原行星盤的雙（多）暗溝分布[3,7,8]。
這里的小質(zhì)量行星，是相對(duì)于木星一類的氣體巨行星而言，行星質(zhì)量介于地球與海王星之間的群體（5.965*10^24kg ~ 1.0247*10^26kg）。在天文學(xué)家所發(fā)現(xiàn)的，數(shù)以千計(jì)的行星中，這一類行星占有很大一部分比重，名為超級(jí)地球（Super-Earths）。
這篇文章的核心思想認(rèn)為，以超級(jí)地球的質(zhì)量，雖難如氣體巨行星般，在其軌道周圍清掃出一條“干凈”的通道，但其形成的過程卻足以激發(fā)氣體盤中的密度波。密度波從行星處獲取角動(dòng)量，并自行星軌道向兩側(cè)傳播。
在低粘度的原行星盤中，伴隨角動(dòng)量的轉(zhuǎn)移，傳播的密度波將逐漸耗散。最終，在距離行星軌道數(shù)個(gè)標(biāo)高的位置，密度波中的非線性機(jī)制才起到主導(dǎo)作用，密度波斷截，盤內(nèi)物質(zhì)會(huì)因獲取角動(dòng)量卻無處交付，最終被逐出原有軌道，形成盤中圓環(huán)狀的低密暗溝，而溝中的原有物質(zhì)則會(huì)被推到邊界處形成高密度亮環(huán)，且由于密度波的雙向傳播，最終形成分布于行星軌道兩側(cè)的雙窄溝構(gòu)型。
但因質(zhì)量所限，超級(jí)地球?qū)怏w物質(zhì)的驅(qū)除能力也十分有限。以一個(gè)十倍地球質(zhì)量的超級(jí)地球?yàn)槔?，若其處于一個(gè)粘滯系數(shù)較低（＜0.0001），主星為一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，標(biāo)高與原初太陽(yáng)系相當(dāng)?shù)脑行潜P中，該行星可以在數(shù)十萬年間，將位于其軌道附近的兩條狹窄環(huán)帶中的氣體驅(qū)除10% 。
不過，盤中塵埃的境遇卻大不相同，由于氣體密度分布的不均勻所導(dǎo)致的氣壓差，會(huì)進(jìn)一步清除氣體溝中的塵埃成分，最終達(dá)到50%的驅(qū)散率甚至更高，而這些被驅(qū)逐的塵埃將在氣體溝外聚集成環(huán)。
?圖5：模擬單一超級(jí)地球?qū)υ行潜P中塵埃分布的影響。其中，顏色表征行星盤中塵埃的面密度擾動(dòng)（即時(shí)面密度／初始面密度）：紅色為高密度區(qū)域，藍(lán)色為低密度區(qū)域。約2000個(gè)軌道周期后，這個(gè)超級(jí)地球?qū)?huì)在原行星盤中開出兩個(gè)主要暗溝，且距離較近，暗溝之間塵埃堆積，形成亮環(huán)結(jié)構(gòu)，與ALMA的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果類似[3]。
與目前大多數(shù)原行星盤模擬只考慮氣體成分不同，董若冰團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)模擬工作混合了塵埃，與觀測(cè)更為貼近。他們?cè)诙S的雙流體（氣體和塵埃）動(dòng)力學(xué)模擬（LA-COMPASS程序）后進(jìn)行輻射轉(zhuǎn)移的模擬（MCRT 程序），來研究一個(gè)超級(jí)地球如何在低粘度（粘滯系數(shù)＜0.0001 ）的原行星盤中，將毫米大小的塵埃（觀測(cè)可見）驅(qū)散成ALMA 中觀測(cè)到的雙溝構(gòu)型。
研究團(tuán)隊(duì)將這一模擬方法稱之為“合成觀測(cè)（synthetic observations ）”， 因?yàn)樗麄兊哪M結(jié)果可以與實(shí)際的觀測(cè)成像直接比較（圖6、圖2）。
?圖6：“合成觀測(cè)”模擬一個(gè)處于30 AU的超級(jí)地球在行星盤中的開溝情況。結(jié)果與ALMA觀測(cè)到的HL Tauri原行星盤構(gòu)型類似[3]。
未來的可能
在這項(xiàng)工作中，原行星盤粘滯系數(shù)的選擇相對(duì)較低，因?yàn)樵诘驼扯鹊谋P中，低質(zhì)量行星的引力擾動(dòng)效果才可以體現(xiàn)。雖然這一粘度系數(shù)的選擇尚存爭(zhēng)議，但這一參數(shù)本就是由湍流和其它多項(xiàng)物理因素共同驅(qū)動(dòng)的，所以他們的假設(shè)不無可能。
例如，近來由清華大學(xué)白雪寧教授針對(duì)原行星盤進(jìn)行的非理想磁流體力學(xué)計(jì)算表明，行星盤中平面處的MRI （magnetorotational instability）不穩(wěn)定性很可能難被有效激發(fā)，這將導(dǎo)致盤中的粘度系數(shù)處于較低的水平。
更重要的是，這項(xiàng)工作中，無須假設(shè)類似于木星大小的氣態(tài)巨行星，僅僅一個(gè)超級(jí)地球，就已經(jīng)足夠制造出復(fù)雜的多（雙）環(huán)（溝）結(jié)構(gòu)， 這也為解決有關(guān)行星統(tǒng)計(jì)的觀測(cè)分歧找到了切入點(diǎn)。
傳統(tǒng)的行星形成理論認(rèn)為，只有質(zhì)量更大的木星類氣態(tài)巨行星或矮木星，才能利用其強(qiáng)大的勢(shì)能在原行星盤中清掃出可觀測(cè)的溝環(huán)結(jié)構(gòu)。 在ALMA僅僅拍到的兩張高分辨率圖片上均發(fā)現(xiàn)存在相似的多溝環(huán)結(jié)構(gòu)。
這一觀測(cè)結(jié)果似乎預(yù)示著，新生行星系統(tǒng)中，體量龐大的嬰兒期巨行星正在普遍形成或者已然形成。然而，當(dāng)我們的望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)幾十億年的中老年主序星時(shí)卻發(fā)現(xiàn)，在所有捕獲到的銀河系成年期行星中，嬌小玲瓏的超級(jí)地球數(shù)量反而更驚人。換而言之，此前對(duì)很多行星盤中正在形成的行星的狀態(tài)推測(cè)與銀河系中的主要行星組成相悖。
而董若冰團(tuán)隊(duì)的這一工作，恰恰證明了超級(jí)地球此前被忽視的、強(qiáng)大的開溝能力， 解決了行星嬰兒期與成年期的觀測(cè)差異。當(dāng)然，現(xiàn)有的原行星盤觀測(cè)樣本還是太少，仍缺乏完備的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。
除了HL Tauri 和TW Hydrae外，近年來，還有多個(gè)年輕的恒星周圍發(fā)現(xiàn)了原行星碎片盤的蹤跡，例如Vega 和Fomalhaut。不過，相對(duì)于HL Tauri 和TW Hydrae中多溝的精細(xì)子結(jié)構(gòu)，Vega 和Fomalhaut中的原行星盤多被證認(rèn)為單個(gè)的大型無塵溝，范圍距離主星十幾AU至一百AU開外。
這樣大的無塵區(qū)域，到底是多行星勢(shì)力范圍疊加的結(jié)果，還是由單一行星觸發(fā)的激烈動(dòng)力學(xué)清掃杰作，這又是另外一個(gè)有趣的話題了。
未來，ALMA將收集更多的原行星盤圖像，隨著這些原行星盤面紗的一一揭開，我們對(duì)于初生行星的了解必將越來越清晰深入，行星的形成過程或?qū)⒉辉偕衩亍?/p>
天問專欄
· 太陽(yáng)：我會(huì)不斷變胖，地球：這樣好么……
作者介紹：
· 鄭曉晨，2010年畢業(yè)于華中師范大學(xué)，2010-2016就讀于北京大學(xué)天文系攻讀博士學(xué)位?，F(xiàn)于清華大學(xué)天體物理中心工作，主要研究方向?yàn)樾行切纬珊蛣?dòng)力學(xué)演化。
致謝：感謝清華大學(xué)天體物理中心毛淑德教授、北京大學(xué)吳曉涵同學(xué)以及即將趕赴加拿大維多利亞大學(xué)任教的董若冰對(duì)本文的修改建議！
參考文獻(xiàn)：
[1] https://scitechdaily.com/early-chemistry-stars-protoplanetary-disc-shapes-life-friendly-atmospheres/
[2] https://astrobites.org/2011/03/11/review-article-protoplanetary-disks-and-their-evolution/
[3] https://uanews.arizona.edu/story/ua-astronomers-track-birth-superearth
[4] http://scienceblogs.com/startswithabang/2016/03/31/a-nearby-infant-star-teaches-us-how-planets-begin-to-form-synopsis/
[5] http://www.almaobservatory.org/en/press-release/alma-discovers-hidden-spiral-arms-embracing-a-young-star/
[6] http://www.almaobservatory.org/en/press-release/alma-measures-size-of-planets-seeds/
[7] Dong, R., Li, S., Chiang, E., & Li, H. 2017, "multiple disk gaps and rings generated by a single super-earth", ApJ, 843, 127
[8] http://tucson.com/news/science/model-may-help-astronomers-better-understand-the-formation-of-planets/article_e7c284e8-b3d0-587d-9f27-39a200a1788d.html
制版編輯： 呂浩然｜
