一颗颠覆理论的新行星

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Gaviota，头图来自：NASA, ESA, STScI, Joseph Olmsted (STScI)

行星究竟是如何形成的？

多年来，科学家认为他们可以通过研究那个最“唾手可得”的例子来了解这个过程，那就是我们所在的太阳系。

然而，20世纪90年代起在遥远恒星周围发现的系外行星却清楚地表明，真实的情况要比我们以为的要复杂得多。迄今为止，超过5000颗系外行星已经被发现，但仅仅很小一部分被直接成像，其中形成过程中的行星更是前所未有。

在一项新的研究中，一组天文学家发现了一颗炽热的类木星气体巨行星，它正在距离地球约500光年之外的恒星周围形成。

新研究在一颗约500光年外的恒星（星号）周围发现了一颗正在形成中的行星（右下角箭头处）。| 图片来源：Science: NASA， ESA， Thayne Currie (Subaru Telescope， Eureka Scientific Inc.); Image Processing: Thayne Currie (Subaru Telescope， Eureka Scientific Inc.)， Alyssa Pagan (STScI)

不仅如此，团队还提出了一个更具争议的结论，他们认为这颗罕见的形成中的行星，是由在它自身引力作用下坍缩的气体形成的，也就是一种被称为盘（引力）不稳定性的行星形成机制。这与被广为接受的行星形成理论形成了鲜明对比。研究已于近日发表在《自然·天文学》上。

一、从太阳系开始  

对地球和太阳系其他行星起源的科学探究始于18世纪中期。在瑞典思想家伊曼纽尔·斯韦登伯格（Emanuel Swedenborg）的研究基础上，著名的德国哲学家伊曼努尔·康德（Immanuel Kant）提出，太阳和它的行星家族都是从一个巨大的旋转原始云中生长出来的。康德将其称为“Urnebel”，也就是德语的星云。

这个想法后来被法国博学家皮埃尔·拉普拉斯（Pierre Laplace）完善，此后又有了诸多补充和修订，但现代科学家认为它的大方向是基本正确的。这种假说后来随着更详细的物理学的修修补补，几乎可以解释太阳系中大部分观测到的特征。

猎户星云中形成行星的尘埃和气体的原始云。| 图片来源：C.R. O'Dell/Rice University; NASA

我们现在甚至可以采用几乎完全正确的设置进行计算机模拟，得到一个美丽太阳系的“数字复制品”，探寻太阳系的动态发展。这个模型是地质学、化学、物理学和天文学结合的胜利。天文学家一度以为，这似乎已经涵盖了一切基础。

直到系外行星的出现。

二、太阳系之外  

20世纪90年代中期，当最早一批围绕遥远恒星运行的行星系统被发现时，立即引起了诸多争论。这些新的行星大多完全不符合模型。事实证明，宇宙的其他部分并不在乎我们这颗太阳周围发生了什么。

从那时起，人们逐渐意识到，形成一个行星系可能存在着各种方式，甚至太阳系可能才是不寻常的那一个。

但一种广为接受的行星形成机制也经受住了许多考验，它被称为核吸积。核吸积始于气体和微观尘粒，它们被认为构成了康德所说的那种典型的原始云，它的形状就像一个扁平、旋转的盘，中心是新生的恒星。尘埃颗粒聚集在一起，形成更大的颗粒，然后是中砾、岩石，再往上就是初生的行星，或者叫星子。

当这样一个团块变得足够大时，它就达到了一个临界点。现在，引力帮助初生的行星迅速吸引气体、尘埃和其他团块，扫清它轨道路径上的障碍，并在圆盘上“刻”出一道圆形的缺口。

但问题随之出现，还有一些事情却是核吸积无法解释的。一些大质量行星被发现在远离宿主恒星的地方绕行着，但根据核吸积理论，这种行星很难存在。它们实在太远了，轨道移动得过于慢，无法完成建造行星的工作。

于是，一种新的机制被提出，也就是盘不稳定性，从而解释这些意想不到的巨大的遥远行星。这种模型的基本思路是，如果原始盘本身具有足够的质量，整个盘就会变得不稳定，并在大挤压中迅速坍缩形成行星。这幅新图景似乎可以解释那些“离群索居”的大块头，但科学家显然还需要更多证据。

三、一颗行星诞生了  

去年，一组天文学家团队在距离地球约500光年的一颗恒星周围发现了一颗仍处于形成过程中的大质量行星。

这颗被命名为御夫座AB（AB Aurigae）的恒星在天文学界已经很有名了，因为它周围有一个美丽、复杂的螺旋盘。在这个盘（以及其他类似的圆盘）中观测到了的团块和波浪，与人们在盘不稳定性发生时可能看到的情况一致。

借助夏威夷莫纳克亚天文台昴星团望远镜以及哈勃太空望远镜的观测，科学家在其中找到了一颗新行星，它被称为御夫座AB b，嵌在一个厚厚的、旋转的尘埃和气体的光环中，被标志性的螺旋和波浪所环绕。

在迅速形成的激烈过程的能量刺激下，这颗行星的温度甚至高到了足以让它发光，达到约2000℃。事实上，正是这种光芒泄露了行星的存在。同时，形成中的行星周围旋转的气体和尘埃被御夫座AB中心恒星的蓝光照亮了。

昴星团望远镜拍摄到的御夫座AB以及新形成的原行星。中心恒星用星号标出。| 图片来源：T. Currie/Subaru Telescope

团队强调，这颗行星距离恒星约是地日距离的93倍，甚至比太阳和海王星之间的距离还要远得多，这应该远远超出了传统的核吸积理论可以解释其形成的区域。因此，他们相信这一发现为盘不稳定性理论提供了强有力的证据。

四、争议尚存  

当然，这个颠覆性的结论也带来了不少争议。一些支持核吸积理论的学者认为，还无法从目前的结果完全判断出这颗行星的形成机制，他们也不认为这是盘不稳定性理论的铁证。

这项新发现可能为行星形成之谜提供了一个关键的部分，但它绝没有结束。随着望远镜越来越大，观测方法越来越先进，我们有望看到更多处于各个发展阶段的成形行星，还有像地球这样完全成形的行星。

最终，我们才有望真正回答那些最重要的问题，比如银河系中如此奇怪而多样的行星系是如何形成的？那些新世界的环境怎样？我们这个不起眼的太阳系又为何如此特殊？

参考来源：

https://theconversation.com/how-do-planets-form-a-baby-jupiter-hundreds-of-light-years-away-offers-new-clues-180495

https://www.science.org/content/article/jupiter-size-exoplanet-caught-act-being-born

https://www.nao.ac.jp/en/news/science/2022/20220405-subaru.html

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Gaviota