【怎樣造一個太陽系？】

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【怎樣造一個太陽系？】

 

作者: Shea

 

Adam Frank　文　Shea　編譯

 

圍繞其他恆星的塵埃盤中的神秘縫隙也許可以解釋我們太陽系的樣子。

 

天文學家已經發現了300多顆圍繞其他恆星公轉的行星。

 

太陽系有著數顆靠近太陽的岩質小型行星和靠外的大型氣態巨行星，但這些新發現的行星系統中有許多卻和我們大相徑庭。

 

天文學家發現，在這些系統中“熱類木星”到其宿主恆星的距離比水星到太陽的還要小。

 

其他的外星行星則會在長長的類似彗星的軌道上繞恆星公轉，而並非像太陽系中的行星都位于近圓的軌道上。

 

太陽系外行星世界的這一多樣性著實讓幾乎所有的天文學家都倍感吃驚。

 

有一個根本問題讓他們一直冥思苦想，那就是“為什麼這些行星系統會是這個樣子？”

 

要回答這個問題就需要回到它們的起源。

 

如果天文學家想知道為什麼以我們的標準這麼多外星行星系統是如此得不可思議，那麼他們就需要了解行星最初是如何形成的。

 

但由于行星的形成和恆星的形成是交織在一起的，因此要解決這一問題相當的困難。

 

年輕恆星和行星之間的關鍵聯系是一個由螺旋轉動的氣體和塵埃組成的吸積盤。

 

在斯皮策空間望遠鏡的幫助下，天文學家已經能探測年輕恆星周圍行星的形成。

 

雖然無法對這些行星直接成像，但天文學家可以根據它們在吸積盤中“開鑿”出的縫隙或者空洞的光譜特征來推斷出它們的存在。

 

對吸積盤的探測再加上計算機模擬為我們提供了對太陽系早期演化過程的重要認識。

 

 

旋轉的托兒所

 

年輕的恆星形成于廣闊但又“動蕩”的氣體、塵埃雲中。

 

縱觀整個星雲，會向內拉動氣體的引力和能使得氣體膨脹的壓力之間保持著暫時的平衡。

 

然而，在一些地方引力最終會在這場拉據戰中勝出，于是那一小塊星雲就會開始坍縮。

 

在這團星雲的中心，密度和溫度為持續升高，直到觸發核聚變反應點燃一顆新的恆星。

 

由于其母星雲中本身存在的翻滾和湍流運動，當其余的氣體繼續落向這顆恆星的時候，它們也會開始轉動。

 

就像一個花樣滑冰運動員收回她的手臂來提高自身的轉速一樣，隨著星雲的收縮，坍縮的氣體也會越轉越快。

 

最終，氣體會轉動得足夠快，使得它不再下落並且停留在圍繞這顆新生恆星的軌道上。

 

對于靠近星雲自轉軸的氣體來說，由于它們的轉速很小，因此會繼續向中央恆星下落。

 

最終的結果就是形成一個氣體、塵埃盤。

 

 

 

[圖片說明]︰獵戶星雲（M42）中的稠密氣體和塵埃正在孕育大量的恆星。

 

只要條件合適其中許多年輕恆星的周圍會形成盤和行星。

 

版權︰NASA/ESA/M. Robberto (STScI/ESA)/the HST Orion Treasury Project Team/L. Ricci (ESO)。

 

這個盤的內部條件正好適合形成新的行星。

 

塵埃粒子的踫撞會形成碎石，碎石間的踫撞會形成岩石，岩石間的踫撞則會形成巨石，這一過程一直持續下去最終就會形成行星。

 

一旦這顆行星變得足夠大，它就會開始反過來對盤施加影響。

 

 

形成縫隙

 

天文學家通過探測行星對其宿主恆星運動或者亮度的微小擾動發現了絕大多數的太陽外星行星。

 

但不幸的是，這些方法都不適用于尚處于襁褓中的行星。

 

為了找到它們，必須要探測這些新生行星對于其母盤的作用。

 

吸積盤中一顆新誕生的行星會對其產生深遠的影響。

 

吸積盤並不是一個類似光盤那樣轉動的固體盤。

 

靠近中央恆星的氣體會比外圍的轉得更快。這對于剛形成的行星也是如此，它的公轉速度比盤內部的物質要慢，但比外部的要快。

 

在行星的引力和行星以及周圍氣體轉動上的差異共同作用下就會產生會向外傳播的激波。

 

而轉速上的差別又會使得激波出現螺旋形的形狀。

 

 

[圖片說明]︰當行星在恆星周圍的氣體、塵埃盤中形成的時候，它們會在其中形成縫隙。

 

版權︰NASA/JPL-Carltech/R. Hurt (SSC Caltech)。

 

在這顆行星誕生之後，“螺旋波”仍然會游歷在吸積盤的物質中，把氣體帶離行星。

 如果新生的行星足夠大，它就會在盤物質中清理出一條較寬的縫。

 

假如把木星放到地球的軌道上，那麼它會在吸積盤中清出一條內起金星、外至地球到火星一半距離的盤縫。

 

行星開鑿出的盤縫非常大，完全可以從地球上觀測到。

 

這是一個好消息，因為找到一條盤縫就意味著找到了一顆行星。

 

 

尋找盤縫

 

目前所發現的許多正在形成行星的盤都得益于地球軌道上的尖端紅外望遠鏡，例如斯皮策空間望遠鏡。

 

紅外光的波長要比可見光長，從而使它可以暢通無阻地穿行于濃密的氣體中，而可見光則做不到這一點。

 

年輕恆星及其周圍的盤都被稠密的含塵氣體包裹著，因此“斯皮策”異常靈敏的紅外線探測器就成為了在這些盤中尋找縫隙的絕佳工具。

 

早在1992年哈勃空間望遠鏡就拍攝到了原行星盤。但是，這些恆星以及它們的行星都太“成熟”了，年齡在一億年上下。

 

恆星周圍如此年老的盤中含有更多的是塵埃殘骸——早期行星形成過程結束之後的殘留物。

 

有著剛剛形成或正在形成行星的最年輕恆星——年齡只有幾百萬年——則太年輕了，今天的望遠鏡無法對它們進行直接成像觀測。

 

于是為了更好地探測這些初生的系統，天文學家不得不依靠尋找盤和縫的光譜特征這一間接方法。

 

光譜使得天文學家能看清天體在不同波段上輻射的大小。

 

一個年輕行星系統的光譜特征既包含了年輕恆星的信息也包含了其周圍氣體、塵埃盤的。

 

其中年輕恆星的貢獻主要集中在可見光和紫外線這些波長較短的波段上，而盤發出大部分輻射則集中在的紅外波段。

 

即使我們無法直接“看到”年輕的原行星盤，但紅外光譜依然能告訴我們想知道的。

 

計算顯示，一個連續的塵埃盤會在恆星的紅外光譜中形成一個駝峰狀的“突起”。

 

一個有縫隙或者中空的盤也會在光譜中造成“突起”，不過這個“突起”位于光譜中一個下凹的“山谷”中。這個“山谷”對應的正是由于盤縫的存在從而導致的紅外輻射缺失。

 

 

[圖片說明]︰計算機模擬的盤縫形成過程。

 

版權︰Philip Armitage。

 

 

搜索盤縫

 

天文學家利用斯皮策空間望遠鏡觀測了數百顆年輕恆星的光譜，以此來尋找吸積盤和盤縫。

 

他們很快就有了發現。

 

大約一年之後，他們發現至少有五顆恆星具有“山谷中突起”的光譜特征。

 

天文學家把它們稱為“過渡盤”。

 

它們代表的是介于早期“喂養”恆星、富含氣體的吸積盤和圍繞已成形恆星、僅還有塵埃的殘骸盤之間的中間類型。

 

理論家們也緊跟在天文觀測之後。

 

因為新的更為詳細的數據要求更好、更精確的模型來解釋過渡盤。

 

 

新的問題

 

有這樣一個問題擺在天文學家眼前，那就是行星的質量和由它所造成的盤縫之間有什麼關系。

 

通過計算機模擬發現，行星的質量越大，所產生的環縫就越寬，環縫壁也越陡峭，反之亦然。

 

那麼這些結果又能如何指導天文學家目前和將來的觀測呢？

 

在有關的研究中，天文學家發現正在智利建造的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波射電望遠鏡陣列也許在未來可以直接看到這些盤縫。

 

其他的研究則專注于行星盤縫隙中的物質。

 

盤中的物質要花多長時間才會掉入中央恆星，從而把一條孤立的盤縫轉變成一個巨大的“甜甜圈”？

 

初步計算表明整個過程可能需要數十萬年的時間，但隨後的計算機模擬顯示內盤掉入恆星的速度可以比這個快大約10倍。

 

在大量的研究之後天文學家得出結論，螺旋波會把內盤有力地推向恆星。

 

 

大辯論

 

新的結果總會引發新的問題，這也正是科學家的樂趣所在。

 

雖然有的天文學家提出行星形成會造成盤縫以及甜甜圈狀的孔，但並不是每個人都對此表示同意。

 

例如，有人提出行星和盤縫之間毫無瓜葛。

 

他們認為中央恆星的輻射蒸發了盤中的物質。

 

由于盤中的氣體被加熱，它們就會從盤的表面蒸發並永遠消失在太空中。

 

最終，整個盤會消散，只留下已經成形的行星和塵埃殘骸。

 

有人提出了另一種可能，吸積盤中的湍流會逐漸清除最靠近恆星的塵埃並最終在那裡形成了一個空洞。

 

 

[圖片說明]︰行星也可以形成于有四顆恆星的系統中。

 

在這幅四星系統HD 98800的概念圖中，一個雙星系統位于行星盤的中央，另外兩顆恆星則位于外圍。

 

版權︰NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC-Caltech)。

 

另一方面原行星盤中氣體和塵埃之間的關系也存在不確定性。

 

“斯皮策”上的探測器只能告訴我們有關塵埃的情況，因為只有它（而不是氣體）會發出的紅外輻射。

 

天文學家通常認為，只要有塵埃就會有更多的氣體。

 

但唯一能檢驗這一假設的辦法就是在不同波段上對它們進行不同的觀測，因為氣體發出的輻射主要集中在射電波段。

 

但這些觀測目前還難以實現。

 

與此同時，在盤縫中可能只是塵埃被清除了而氣體仍然存在。

 

雖然有這些疑問，但大多數天文學家還是形成了共識，塵埃和氣體是彼此相聯的，而新生的行星則是在吸積盤中開鑿出空洞的“元凶”。但就此下結論還為時尚早。這也正是科學的運轉方式。

 

只有天文觀測結果才能解決所有的爭議。新的望遠鏡也許可以一勞永逸地讓這場辯論塵埃落定。

 

毋庸置疑的一件事情是過渡盤在研究恆星和行星形成中的重要性。

 

天文學家現在知道，行星必須形成于圍繞年輕恆星的塵埃盤中。

 

盡管最近的觀測已經揭示出了過渡盤的大量細節，但有關的努力才剛剛開始。

 

對于天文學家而言，這意味著更多的工作和樂趣。

 

 

引用：http://www.skylook.org/info/info-tw/sort_36.html