一顆行星的誕生

苗千

關于一顆行星是如何誕生的，天文學家們早有了各種理論和模型對之進行模擬和預測，但是想要直接觀察到宇宙中一顆行星的誕生過程，卻只能算是一件可遇而不可求的事情了。主要原因有兩個：一是太陽系外的恒星與行星系統(tǒng)大多距離地球太過遙遠，動輒數(shù)百光年，想要在地球上利用天文望遠鏡進行直接觀測非常困難;二是行星圍繞著恒星運行，兩者的亮度對比猶如螢火蟲之于燈塔——想要在燈塔旁邊觀測到一只螢火蟲的光亮，難度可想而知。

正是因為如此，2018年6月29日和30日在《天文與天體物理》（Astronomy & Astrophysics）雜志發(fā)表的兩篇論文才會迅速在天文學界引起極大的關注。這兩篇論文出自兩個同屬于德國馬克思·普朗克天文學研究所（Max Planck Institute for Astronomy）的研究小組，文中報告了天文學家們利用建造在智利的歐洲南方天文臺（The European Southern Observatory）的超大望遠鏡上安裝的“光譜偏振測定高對比度系外行星探測”（Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research，簡稱SPHERE）設備，第一次發(fā)現(xiàn)了一顆正在形成過程中的行星。論文中所展示出的照片非常清晰且具有說服力，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周圍的過渡盤間隙中發(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），介紹了天文學家發(fā)現(xiàn)這顆新生行星的過程，緊接著第二篇《PDS 70周圍過渡盤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）則介紹了天文學家們對這顆行星具體性質(zhì)的觀測和推測。

真正觀察到一顆行星的誕生過程，讓天文學家們終于可以不再紙上談兵，只是通過各種理論和模型來推演行星的形成和演化，而是能夠利用觀測數(shù)據(jù)對其進行驗證。

關于行星的形成，天文學界一直以來都有一個“星云假說”（Nebular Hypothesis），這個起源于德國哲學家康德的假說認為，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)圍繞著恒星運轉(zhuǎn)，形成一個“原行星盤”（Protoplanetary Disc），這些剩余物質(zhì)也正是構(gòu)成圍繞恒星運轉(zhuǎn)的行星系統(tǒng)的材料，堪稱行星加工廠。

7月4日，歐洲南方天文臺在智利的超大望遠鏡捕獲了第一張PDS 70恒星周圍新生兒行星圖像

天文學家們在2012年首先發(fā)現(xiàn)了一顆名為“PDS 70”的年輕恒星。根據(jù)測量，它的年齡僅僅為1000萬年左右（相比之下地球的年齡已經(jīng)超過了40億年）。幾個研究小組由此選定了這顆恒星作為研究對象，定期對它進行觀測。一方面，這個位于半人馬座（Centaurus Constellation），距離地球370光年的“PDS 70”屬于橙矮星（Orange Dwarf），相對亮度不高，更容易發(fā)現(xiàn)它附近的行星;另一方面，天文學家們在這顆年輕恒星的周圍發(fā)現(xiàn)了擴展范圍達到130個天文單位（地球與太陽的距離為一個天文單位）的“過渡盤”（Transition Disk）。所謂“過渡盤”，是指有間隙存在的原行星盤，而間隙的存在就說明在這個范圍內(nèi)可能有行星正在形成，正在逐漸吸收著周圍的物質(zhì)。

2016年，馬克思·普朗克天文學研究所的一個研究小組重新檢查他們在2015年觀測“PDS 70”時獲得的數(shù)據(jù)，對其進行重新處理，發(fā)現(xiàn)了恒星附近有一個明顯的亮點。經(jīng)過確認，這正是每一個行星天文學家都夢寐以求的發(fā)現(xiàn)：一顆正在形成過程中的行星——人們暫且將它命名為“PDS 70b”。

在裝備了SPHERE設備之后，天文學家不僅能夠利用“日冕”（Coronagraph）方法遮擋住行星臨近恒星的光線，還可以在各個頻率范圍內(nèi)觀測行星，探測行星的各種性質(zhì)。數(shù)據(jù)顯示，“PDS 70b”是一顆炎熱的氣體行星，它不僅比太陽系內(nèi)的任何一顆行星距離恒星都更遙遠，也更加炎熱。對大氣層的探測顯示，這顆行星的表面溫度可以達到1000攝氏度以上。因為距離恒星遙遠，這顆比木星大出幾倍的氣體行星圍繞恒星運轉(zhuǎn)一圈需要120年的時間。

在此之前，天文學家們曾經(jīng)觀測到過恒星周圍的原行星盤，也探測到過行星發(fā)射的光譜信息，但是首次真正觀測到行星的誕生，終于確鑿證實了天文學家們一直以來的猜想：行星確實誕生于圍繞著年輕恒星的灰塵和氣體材料之中。人們終于可以詳細了解行星的初生過程，這也讓人們能更細致地理解太陽系自身的演化過程?？梢哉f，SPHERE設備開啟了人類天文學探測的一個全新領域。人類不僅將會不斷發(fā)現(xiàn)新的地外行星，也將會獲得越來越多這類天體的直接圖像。

行星“PDS 70b”的發(fā)現(xiàn)，除了其重要的天文學意義之外，也可以說是一次技術(shù)的勝利。天文學家們花費了超過10年時間開發(fā)用來探測行星的SPHERE設備，它被專門用于地外行星的直接成像，還可以發(fā)現(xiàn)在恒星周圍由灰塵和氣體構(gòu)成的圓盤，這都需要極高超的光學手段。自1990年以來，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過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掩蓋住行星的痕跡，而SPHERE設備則通過分析來自恒星直接發(fā)射的光線與被行星反射光線中偏振性質(zhì)的不同，設計出一個獨特的濾波器，阻擋住來自恒星的光線，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。