圍繞御夫座AB星旋動(dòng)的圓盤內(nèi)出現(xiàn)“扭曲”，科學(xué)家認(rèn)為那是行星正在形成的位置。
據(jù)外媒報(bào)道，國(guó)外天文學(xué)家利用歐洲南方天文臺(tái)設(shè)在智利的望遠(yuǎn)鏡，在距地球520光年的御夫座AB星附近，捕捉到行星的誕生過程。據(jù)悉，這是人類有史以來，第一次直接捕捉到一顆行星誕生的過程。
科學(xué)家使用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到圍繞御夫座AB星旋動(dòng)的圓盤內(nèi)有一個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)有氣體和塵埃組成的一種“扭曲”模式，標(biāo)志著行星正在凝聚的位置。該研究報(bào)告發(fā)表在《天文和天體物理學(xué)》周刊上。
6月9日，類似火玫瑰綻放的“行星誕生”畫面引發(fā)網(wǎng)友熱議。這顆行星是不是500多年前就形成了？行星是如何誕生的？對(duì)此，記者采訪了南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院系外行星課題組副教授張輝。
520年只是一瞬間 我們正看著一顆行星形成
新京報(bào)：此次拍攝到的行星形成的位置在御夫座AB星，距地球520光年，這是否意味著拍攝時(shí)行星已經(jīng)形成？
張輝：御夫座在銀河系內(nèi)，離我們520光年。一光年是光走一年的距離，我們現(xiàn)在看到的圖片是該系統(tǒng)520年前的樣子。行星在原恒星盤中的演化時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾百萬年，相比而言，520年只是一個(gè)瞬間，因此可以認(rèn)為我們正看著一顆行星在御夫座AB的恒星盤里形成。
行星系統(tǒng)的形成過程大概分成幾個(gè)時(shí)期，第一個(gè)時(shí)期是行星在氣體盤中的吸積與生長(zhǎng)階段，這一階段一般持續(xù)幾百萬年，直到氣體盤在星風(fēng)的作用下消散，這相當(dāng)于行星在“襁褓”中的時(shí)間，屬于行星的幼年期。從此次拍攝來看，吸積盤中的氣體還沒有完全消散，說明這是一個(gè)非常年輕的行星系統(tǒng)。
新京報(bào)：科學(xué)家是如何捕捉到這個(gè)過程的？是圖片還是視頻？拍攝后需要特殊處理嗎？
張輝：科學(xué)家可以把距離太陽比較近的年輕恒星全部列一個(gè)表，大約有百十來顆，對(duì)這些恒星逐個(gè)拍照“篩查”，大部分年輕恒星周邊都有盤狀結(jié)構(gòu)，再對(duì)此進(jìn)行研究。
此次拍攝應(yīng)該不是視頻，因?yàn)榕囊曨l沒有太大意義。玫瑰花旋臂結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的時(shí)標(biāo)非常長(zhǎng)，如果這顆行星距離主星40AU，那它運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期的時(shí)間需要200年-300年，在我們觀測(cè)的這段時(shí)間內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生太大變化。所以其實(shí)是拍了很多幅照并疊加起來，再經(jīng)過降噪處理出來的結(jié)果。
新京報(bào)：為什么以往沒有拍攝到行星誕生的過程，在技術(shù)上需要哪些條件？
張輝：以往大家希望能拍到這樣的畫面，拍到行星形成過程中的“氣體盤”。但之前的幾十年里，觀測(cè)技術(shù)達(dá)不到。
大多數(shù)恒星離我們的距離很遠(yuǎn)，它們的氣體盤對(duì)我們視線的張角非常小，要去分辨這樣的盤和上面的結(jié)果在技術(shù)上很困難，需要口徑很大的望遠(yuǎn)鏡、并排除地球大氣抖動(dòng)的干擾，之前的望遠(yuǎn)鏡達(dá)不到這樣的水平。
這次觀測(cè)用的就ALMA望遠(yuǎn)鏡，它是一個(gè)毫米波波段的射電望遠(yuǎn)鏡陣，由很多的小口徑的望遠(yuǎn)鏡拼起來等效大口徑的望遠(yuǎn)鏡，因此能夠比較細(xì)節(jié)地分辨“盤”上的一些結(jié)構(gòu)。觀測(cè)者在兩個(gè)旋臂結(jié)構(gòu)交接的地方拍到了一個(gè)明亮的團(tuán)塊，并據(jù)此認(rèn)為這就是正在吸積氣體的行星。
但目前還有一些爭(zhēng)論，因?yàn)檫@篇文章剛發(fā)布。另一個(gè)課題組認(rèn)為，類似的旋臂結(jié)構(gòu)也可能是由雙星形成。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，如果在距離中央恒星大概40AU（天文單位，指地球到太陽的距離，1AU約1.5億公里）的地方有一顆伴星，其運(yùn)動(dòng)對(duì)恒星盤的擾動(dòng)也可產(chǎn)生類似旋臂結(jié)構(gòu)。
所以這次拍到的是潛在的行星形成過程，包括這篇論文的名字寫的也是“可能的證據(jù)”。
觀測(cè)結(jié)果對(duì)研究行星最終形成路徑很有價(jià)值
新京報(bào)：關(guān)于行星的誕生，目前科學(xué)界有哪些理論假說？
張輝：行星形成有很多理論模型，大體可分為兩種。
一種叫“核吸積”模型，是一個(gè)“自下而上”的過程：原恒星盤內(nèi)大量微米量級(jí)的塵埃通過互相碰撞、粘黏生長(zhǎng)成很多毫米到厘米量級(jí)的小“鵝卵石”；然后經(jīng)過“卵石吸積”過程緩慢生長(zhǎng)到大量公里量級(jí)的“星子”；這些星子相互碰撞并合，其中某些幸運(yùn)兒有機(jī)會(huì)生長(zhǎng)為更大的行星“胚胎”，或稱為“行星核”。
“行星核”吸積其周圍的固體顆粒和氣體的過程，就是“核吸積”過程。目前，這一模型能夠解釋大部分的觀測(cè)結(jié)果，因此也被大多數(shù)人所接受。
還有另一種模型認(rèn)為，行星的形成過程可能跟恒星類似，是一個(gè)“自上而下”的過程。也就是說在恒星形成過程中，具有巨大質(zhì)量的氣體團(tuán)塊在“引力不穩(wěn)定性”的作用下分裂、塌縮，在塌縮的過程中團(tuán)塊開始旋轉(zhuǎn)，由于離心力的作用而越來越扁形成原恒星盤，在盤中央高密度區(qū)形成恒星。
與此同時(shí)，原恒星盤上其他地方也可能發(fā)生局部的“引力不穩(wěn)定”，而分裂形成更小的團(tuán)塊，這些小尺度的團(tuán)塊最終塌縮形成行星。
這一模型可以解釋一些軌道周期較長(zhǎng)、質(zhì)量較大的行星的形成過程，但在解釋小質(zhì)量行星的形成時(shí)遇到了困難。因此大家猜測(cè)，行星的形成是一個(gè)復(fù)雜的過程，并非由單一機(jī)制所決定。
新京報(bào)：從此次拍攝到的畫面看，你認(rèn)為這顆行星可能屬于哪種形成類型？拍攝到的畫面對(duì)未來研究有哪些意義？
張輝：這次的觀測(cè)很有意思的地方在于玫瑰狀的旋臂結(jié)構(gòu)。之前我們做過很多的模擬，發(fā)現(xiàn)如果不考慮恒星盤的“自引力”，旋臂應(yīng)該是一個(gè)相對(duì)緊致整齊的結(jié)構(gòu)。如果考慮恒星盤上氣體的“自引力”，在某些情況下可能觸發(fā)“引力不穩(wěn)定”效應(yīng)，會(huì)自發(fā)形成類似玫瑰狀的多旋臂結(jié)構(gòu)。
這說明，這顆行星可能是伴隨著原恒星盤的“引力不穩(wěn)定”過程形成的。因?yàn)橛^測(cè)結(jié)果5月份剛出來，現(xiàn)在大家還在討論當(dāng)中，看哪種模型更能解釋現(xiàn)在的觀測(cè)結(jié)果。這在未來對(duì)我們研究最終行星形成的路徑是非常有價(jià)值的。
同時(shí)要說明的是，核吸積模型和引力不穩(wěn)定模型有本質(zhì)區(qū)別。但是太陽系外行星非常多，恒星的物理狀況也是千差萬別，所以很可能有一部分行星通過核吸積形成，另外一部分通過引力不穩(wěn)定形成，在大自然里什么樣的可能性都會(huì)有。
行星演化長(zhǎng)達(dá)幾十億年 壽命取決于宿主恒星
新京報(bào)：地球最初的誕生過程是否也可能是這樣一幅畫面？
張輝：其實(shí)我們也挺好奇，按照現(xiàn)在對(duì)太陽系的研究，太陽系原恒星盤的初始質(zhì)量不足以引發(fā)“引力不穩(wěn)定”效應(yīng)。所以，我們認(rèn)為太陽系的形成可能是核吸積模型，是相對(duì)平緩的過程。而從地球大氣成分來看，地球很可能屬于氣體盤完全消散以后形成的“第二代行星”，但目前尚無定論。
對(duì)于很多太陽系外的行星，我們對(duì)其氣體和固體的比例進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)如果這個(gè)行星是在氣體還沒消散之前形成的，它一般會(huì)具有較厚的氣體殼層，且大氣層中氫和氦元素的比例會(huì)比較高，對(duì)于這樣的行星，我們稱之為“第一代行星”。
而太陽系內(nèi)的地球、水星等類地行星，氫和氦的含量相對(duì)較低，說明它們可能是在氣體盤完全消散以后形成的“第二代行星”。正是因?yàn)榈厍蛟跉怏w盤消散以后形成的，所以地球上才可能出現(xiàn)生命，如果在氫氣包裹的行星表面，生命出現(xiàn)的可能性會(huì)大大降低。
新京報(bào)：行星的生命周期一般有多長(zhǎng)？以往有拍到過行星死亡的過程嗎？
張輝：行星呆在氣體盤襁褓中的時(shí)間，大概100萬年到1000萬年，取決于氣體盤的壽命。這段時(shí)間相對(duì)于行星的整個(gè)生命來說很短，但其大部分質(zhì)量增長(zhǎng)都是在這段時(shí)間內(nèi)完成的。
等氣體消散了，行星對(duì)氣體的吸積過程也就停止了，后續(xù)還會(huì)吸積一些固體，但總體質(zhì)量的變化將很小，可以說就是“長(zhǎng)成了”。行星大部分的壽命，是在此后跟其他的行星、星子、固體塵埃的相互作用，這個(gè)演化時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)幾十億年，比如說地球已經(jīng)45億多歲了。
恒星有核反應(yīng)，一種核燃料燒完了就進(jìn)入下一階段，最后就熄滅了，變成白矮星或者中子星甚至黑洞。而行星不同，行星沒有特別巨大的變化的話，它會(huì)一直在那里。
太陽這樣的恒星再過50多億年后會(huì)變成一個(gè)紅巨星，其半徑會(huì)膨脹200多倍，對(duì)地球產(chǎn)生一個(gè)災(zāi)難性后果，地球很可能最后會(huì)被膨脹后的太陽吞噬掉。
太陽變成紅巨星后，再過幾十億年的演化會(huì)在一次超新星爆發(fā)后熄滅并變成白矮星，此時(shí)整個(gè)太陽系內(nèi)的行星將遭受“滅頂之災(zāi)”，其中一些會(huì)被直接摧毀，另一些可能被拋射到宇宙中變成“流浪行星”。當(dāng)然也可能會(huì)有一些幸存下來，成為圍繞白矮星運(yùn)動(dòng)的行星。從這種意義來說，行星的壽命主要取決于其宿主恒星。
行星會(huì)被恒星吞噬掉，之前有過這樣的理論研究，也有觀測(cè)上的間接證據(jù)，即行星被撕碎以后，掉到恒星上會(huì)改變恒星大氣層的金屬豐度。但想直接拍攝到恒星吞噬行星的過程，是非常難的。
