原行星盘诞生记：是她孕育了行星，可她又从哪里来？
开普勒-452b（右）概念图，人类发现的第一颗地球大小的系外行星，它比地球大60%，距离其母星的距离比地日距离大5%。图片来源：NASA/Ames/JPL-Caltech
撰文 | 白雪宁（清华大学）
责编 | 韩越扬 吕浩然
近十年来，系外行星的发现如雨后春笋般层出不穷，人们对系外行星的关注也随着2019年诺贝尔物理学奖的颁布达到新的高度。这些系外行星系统五花八门，展现出极大的多样性。基于数以千计的样本，我们能够认识到行星的普遍性，也逐渐揭示出行星系统的统计规律。
然而，这些统计规律背后隐藏着哪些秘密，是什么造就了行星系统的普遍性和多样性，都需要人们追根溯源，探究行星形成的物理本质。
01 “星云假说”
早在人类认识系外行星以前，太阳系作为唯一已知的行星系统便成为了人们探究行星起源的唯一样本。在十八世纪时，关于日心说和地心说的争论早已平息，牛顿力学的江湖地位也已牢牢确立。基于对金木水火土几大行星的观测，人们已经建立起了“太阳系”的概念，较为准确地测定了地球及几大行星围绕太阳公转的轨道参数，也对行星的卫星、土星环及彗星有一定了解。这些认知无疑为探究它们的起源提供了重要线索。
1755年，当时年仅31岁的康德（Immanuel Kant）出版了《自然通史和天体论》（Universal Natural History and Theory of the Heavens）一书。相对于当时主流的静态、描述性的自然史观，他以发展、演进的思想阐述了自己的宇宙观。受到英国天文学家莱特（Thomas Wright）的影响，他臆测太阳系诞生于类似望远镜中看到的那些模糊的星云。星云中的粒子由于引力作用形成团块，团块由于某些“斥力”使其轨迹偏转，最终使得大部分团块聚集到系统中心形成太阳，剩余的团块落到共同的轨道平面围绕中心作圆周运动。
图1.《自然通史和天体论》（左）与<Exposition de systeme du monde>（右）
康德还认为：同样的过程可以进一步形成卫星，而银河的形成也是如此[1]。法国著名数学家拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）于1796年出版的Exposition de systeme du monde一书中也独立提出了类似的“星云假说”。拉普拉斯推测，太阳系起源于一团缓慢旋转的星云，随着星云冷却开始引力塌缩，塌缩过程中由于转动会变扁，进而成为一个圆盘，其中圆盘中心部分的物质聚集形成太阳，外围物质聚集形成多个环，环中物质进一步聚集形成行星（如图2）。
图2. 拉普拉斯的星云假说：a)一个旋转的星云；b). 星云塌缩并关于旋转轴变扁；c). 形成镜片状结构；4). 物质收缩形成一系列圆环；e). 环中物质凝聚形成行星。图片来源：参考文献[2]
“星云假说”自然地解释了太阳系行星系统的轨道特征，也很快被世人所接受，构成了十九世纪人们对行星起源的基本认知。
然而，随着研究的逐渐深入，人们逐渐意识到星云假说面临一个严重的缺陷：太阳系中的各大行星（主要是木星）只占太阳系大约0.14%的总质量，却携带了太阳系99%以上的角动量。星云假说很难解释质量和角动量会有如此极端的分配关系。
19世纪后期至20世纪，人们针对太阳系起源的问题提出了很多其它学说，如潮汐说、捕获说等等，力求解决前述的缺陷，并展开了激烈的讨论。与此同时，物理学的发展以及观测的进展（譬如热力学的发展、对恒星组成和结构的理解、地球年龄的估计、陨石成分和同位素分析等）也使任何学说都需要接受更多的检验。
这些学说尽管多以失败告终，但百家争鸣的开放性讨论也在不断刷新人们的认知，特别是新证据的涌现和天体物理各领域的理论发展也让一切变得即扑朔迷离却又精彩不断。同时，这些争论也使星云假说的合理性重新受到重视[3]。
02 当代的“星云假说”
暂且抛开角动量及星云如何形成的问题，星云假说需要解决的另一道难关是在“太阳星云”中如何形成行星。沿袭前苏联科学家及苏联英雄称号获得者施密特（Otto Schmidt）在上世纪40年代关于太阳系行星形成的假说（尽管最终结果否定了该假说），前苏联科学家萨夫罗诺夫（Viktor Safronov，图3）在上世纪60年代通过一系列工作勾勒出了太阳星云中尘埃如何通过碰撞从小长大，进一步通过引力不稳定性形成星子，以及星子如何进一步通过碰撞生长成为行星的过程。
图3. 苏联天文学家萨夫罗诺夫（Viktor Sergeevich Safronov 1917-1999），图片来源：参考文献[3]
萨夫罗诺夫将这些结果整理到了《原行星云的演化和地球与行星的形成》一书中，于1969年出版了俄文版。该书在1972年被翻译成英文后获得了西方学术界的广泛关注，仅在70年代就获得上百次非苏联学者的正面引用（在那个年代十分可观）。特别是他关于星子生长到行星的计算随后被美国科学家韦瑟里尔（George Wetherill）通过计算机模拟得以推广和发展。由此开始，这些工作成为了研究行星形成理论的基本框架[3]。
图4. 哈勃望远镜90年代观测到的年轻恒星HH30的图像。黄色部分为可见光至近红外的辐射，显示出盘表面尘埃对原恒星的散射光（盘本身被严重的尘埃消光所掩盖）。绿色部分为主要由喷流中的气体发射线贡献。图片来源：C. Burrows et al. (STSCI/NASA).
到了上世纪80年代，随着人类首颗红外波段的空间望远镜——红外天文卫星（InfraRed Astronomical Satellite, IRAS）的上天，人们对恒星形成的认识有了质的飞跃。特别地，在大量正在形成早期的年轻恒星周围发现了额外的红外辐射。这一红外超出现象也表明，年轻恒星周围有较恒星更冷的物质存在，同“星云假说”中的“太阳星云”完全一致。
此后越来越多的观测都表明（比如图4），年轻恒星周围存在一个富含尘埃的气体盘，它们向中心恒星吸积，并在几百万年后消散。这些发现使星云假说不再是假说，而“星云”一词也被“原恒星盘”或“原行星盘”所取代（两词有时虽有所区分，但常在文献中通用，本文一律使用“原行星盘“），只有在特指太阳系早期形成时才仍使用“太阳星云”。
然而，观测虽然证实了盘的存在，但并不意味着问题得到了解决。相反，在这一框架下，人们需要回答更多的问题，特别是盘具有怎样的性质，在此基础上进一步回答行星在盘中形成的机理，并能够同不断积累的各方面观测证据相吻合。而更最先需要回答的问题便是：盘又是如何形成的？
03 恒星的诞生
人们对星云假说的认知历程伴随着人们对恒星形成过程认知的深化：原行星盘的形成必然伴随着恒星形成的过程。现在我们知道，恒星确实在“星云”中形成，但这里所谓的“星云”指的是星际介质中的分子云。
气体在星际介质中的分布是高度不均匀的。其中密度高的区域，气体以分子形式存在，称为分子云（图5）。这里所谓的“高密度”，每立方厘米其实只有几百至百万数量的分子，已远低于地球上能实现的真空。分子云的典型大小在10光年左右，质量在几千至百万个太阳质量。分子云中的气体运动并不规则，是高度混乱的，称为湍流。
分子云中这种混乱的流动对恒星形成的影响主要有两个方面：一是更高密度的区域由于自引力作用可促成塌缩。分子云中可以存在大量这样局部塌缩的高密度区域，因而可以形成大量恒星；二是混乱的流动也包含随机的旋转，使得塌缩的区域转动，进一步催生盘的形成。
恒星形成过程中，特别是形成的大质量恒星（质量超过约8倍太阳质量）后，其高温高光度会产生大量紫外辐射，极紫外辐射能使周围气体电离，并激发其中的分子云荧光辐射，使分子云呈现出星云状。比如肉眼可见的猎户座大星云（M42）就是一个孕育恒星的分子云，距离我们约1500光年。距离我们更近的恒星形成区，如金牛座（Taurus）、蛇夫座（Ophiuchus）、豺狼座（Lupus）、英仙座（Perseus）恒星形成区等（距离约400-650光年），因为缺乏大质量恒星电离周围气体而并没有那么壮观。
图5. 可见光下的猎户座大星云（上）和金牛座恒星形成区（下），图中星云尺度在10-20光年左右。图片来源：ESO
在这些星云中，在引力主导的条件下，高密度团块（称为星前云核）的塌缩近乎以自由落体的方式进行，典型时标在几万年（在天文尺度里这不过是一眨眼的工夫）。塌缩中心的密度和温度逐渐增高，将分子气体解离成原子气体（并最终将其电离），直至能够建立起流体静力学平衡“顶住”塌缩的进行。这时的塌缩中心逐渐形成了恒星的雏形——原恒星。
所谓原恒星是指其核聚变反应尚未点燃的阶段（但此时可以燃烧氢的同位素——氘），此阶段可持续数百万年甚至千万年，期间原恒星缓慢收缩，其光度也主要来自这一过程释放的能量。在此过程中，起初原恒星被外面仍在塌缩的包层包裹，并不可见；直至塌缩完成后，包层清空，原恒星和周围的盘才真正可见（图4已处于此阶段）。
04 见证盘的诞生
在观测上研究盘如何形成，必须来到恒星形成的最早期，穿透仍在塌缩的包层方可一探究竟。然而这绝非易事。
分子云中的气体富含尘埃，它们是前代恒星演化和爆发的产物。在银河系中尘埃的质量比约为1%。这些尘埃通常比PM2.5小一个量级以上，加之湍流的作用，可以说分子云中的沙尘暴无处不在。
分子云的高密度使得这些恒星形成区在可见光波段是高度不透明的，需要红外甚至更长波段才可略见一斑。通常波长越长，则越能深入更致密的区域，但同时盘的辐射也越弱。毫米-亚毫米波段基本能够两者兼顾，这个波段的设备也成为观测恒星形成，特别是最为致密的原行星盘的最佳利器（毫米/亚毫米属于太赫兹频段，技术要求非常高）。同时，由于盘的尺度非常小，还需要极高的空间分辨率。
ALMA（Atacama大型毫米/亚毫米阵列，图6）是位于智利Atacama沙漠上的一个毫米/亚毫米波干涉阵列，于2011年投入使用。一般来讲，望远镜的分辨率受限于其衍射极限，即波长/口径比。要想提高分辨率必须做大口径。到了毫米/亚毫米波段，进一步提高分辨率则需要使用干涉技术，即将一组望远镜阵列“组装”成一台等效的大望远镜，其等效口径可达其中单个望远镜之间的最大距离。
ALMA主要由50个12米口径的毫米/亚毫米波望远镜组成，灵敏度远超前代设备，等效口径最高可达16千米，最高可实现0.01角秒的空间分辨率。这相当于我们从北京看到天津的一枚硬币。通过它，我们能看清临近恒星形成区10个天文单位（1个天文单位即日地距离）以内的结构。正因为此，自投入使用以来，ALMA为研究恒星形成和原行星盘带来了革命性的变革。
图6. ALMA亚毫米/毫米阵列
得益于ALMA，我们终于能够在盘形成的最早期捕获到它的样貌。这里，盘形成的标志性特征是盘中气体围绕中心原恒星作开普勒运动，即转速同距离的平方根成反比。另一方面，在塌缩过程中，如果角动量守恒，则我们预期转速同距离成反比。在观测上，人们在潜藏在浓密包层中的正在形成的原恒星周围确实发现了从气体旋转曲线轮廓存在类似的转变（图7），这样的观测结果表明我们正在观看盘在恒星形成极早期包层塌缩的过程中的形成过程！
下图是对于L1527-IRS系统的观测，而上述的转换就发生在50个天文单位左右（即图中的拐点），代表了盘早期形成时的初始大小。目前科学家已经对一些系统做过类似的测量，基于现有的样本，科学家们可推测出盘初始形成时的个头应当在同量级，通常不超过100个天文单位[5]。 当然，现阶段这类观测的样本数目和观测精度尚不足以对盘形成的机制给出详细的限制，但它们为人们从理论上和计算中研究盘的形成提供了重要依据。
图7. 由ALMA测量到的年轻原恒星L1527 IRS周围气体的旋转曲线，即旋转速度（千米每秒）随半径（天文单位）的变化。图片来自：参考文献[4]
05 磁场的魔咒
刚才讲到的分子云中除了湍动的气体，还有磁场。在天体物理中，磁场无处不在，却让人又爱又恨。爱它的重要性，恨它的难以捉摸。天文学家们戏称，当你不理解的时候，可以考虑引入湍流；如果你还不理解，就再考虑磁场！
通常，在气体有足够电离的情况下（称为等离子体），由于带电粒子必须绕磁力线转动，气体和磁场能够充分耦合，这时的气体被称为“理想磁流体”。在理想磁流体中，磁力线“冻结”在气体中，随气体一起运动。但磁场的脾气很倔强，它的特点是希望让磁力线均匀且平直。如果流体的运动让磁力线收到挤压或弯曲，磁力线便会“反抗”，通过给气体施加压力和张力阻碍其运动，以使自身趋向均匀平直的状态。
在原恒星核塌缩过程中，角动量守恒会使转动加速，磁力线也因此被缠绕得越来越紧。它在反抗过程中会向气体施加反作用力，反抗这种加速旋转。这一过程被称为磁制动（magnetic braking）。磁制动使得塌缩中的气体的角动量被磁场带走，因而气体得以继续塌缩。值得一提的是，磁制动的效应曾被瑞典科学家，磁流体力学的先驱，诺贝尓物理学奖获得者阿尔文（Hannes Alfvén）用于解释“星云假说”中的角动量问题，但当时的关注点在于原初太阳同盘之间的角动量转移，走偏了方向。
然而，磁制动的一个后果是，由于角动量被磁场带走（注意，这里总的角动量仍是守恒的），气体的转动被极大削弱。数值模拟中发现，这时气体包层以近乎自由落体的方式直接塌缩到原恒星，而根本无法形成盘[7]！ 若果真如此，便不再会有超凡脱俗的科学家去研究行星科学，因为不再会有行星，也不再会有人类了。也许是造物主给我们开了个玩笑？
图8. 原行星盘形成的在典型参数下的数值模拟结果，左为理想磁流体情形，中间两幅为非理想磁流体（但相反磁场极性）情形，右为无磁场情形。图片来源：参考文献[8]
近年来，更深入的研究表明，磁场并不是完美地跟物质耦合。一方面，分子云和包层中的气体不是完全电离的，事实上，他们的电离程度很低。由于只有带电的粒子才能跟磁场耦合，大量的中性分子（主要是氢气分子）能够自主行动而不受磁场影响，只是偶尔同带电粒子碰撞才“间接地”感受到磁场的存在。
另一方面，前面提到，分子云中存在湍流，携带磁场的湍流在其混乱的运动中可将小尺度的磁场耗散掉，等效地降低了磁场与气体的耦合程度。在这些微观效应的共同作用下，磁制动不再如此高效，盘的形成在理论上重新成为了可能（图8）。
然而，盘形成的结果敏感地依赖于这些微观物理作用的细节[9]。同时，前面提到恒星在分子云中是批量形成的，每个恒星形成过程中所处的外界环境，物理条件会有所不同，且原恒星之间会存在动力学相互作用，比如飞掠（flyby）等。综合这些原因，盘的早期形成过程是复杂而多样的。我们也有理由相信，作为行星形成的主要场所，盘的“初始条件”的多样性为系外行星的多样性埋下了伏笔。
06 鸡生蛋还是蛋生鸡
那么，盘早期形成的初始条件能够为行星形成留下怎样的线索？行星形成始于尘埃的生长。前面提到，分子云中的沙尘暴只有细微的，小于PM2.5尺寸的尘埃颗粒。利用ALMA，人们发现即使在盘形成的极早期，尘埃已经有显著的生长，甚至可达到毫米量级[10]！这同成熟的（已褪去包层的）原行星盘已无显著区别，这也表明行星的种子在它的母体盘尚在发育时便迫不及待地生根发芽了。
如果说尘埃的显著生长让我们感到吃惊，那么ALMA的另一发现更是令人咋舌：人们在极早期（只有约20万年）的盘中发现了环状亚结构（substructure，图9），即盘的结构并不光滑，而存在小尺度的不均匀性。更多观测结果表明这不是孤例[11，12]。由于在亚毫米波段直接探测到的是尘埃的分布，这表明由于某些未知的原因，尘埃已经开始聚集。
通常，这种聚集是对气体盘发生中内禀亚结构的响应：尘埃会向盘中压强高的地方漂移。人们传统上认为盘始终是光滑的，并在此基础上构建行星形成的模型。而观测到的结果表明盘也许自诞生起就并不安分，这会跟行星形成有关吗？
图9. ALMA对原行星盘IRS63在1.3mm波段的观测结果。由于低信噪比和图像合成中的误差，此图像主要说明了盘中的环状结构，但无法判别是否还有其它更精细的结构。图片来源：参考文献[11]。
事实上，这种环状亚结构在更成熟的原行星盘中普遍存在，这也是ALMA对这一领域的革命性发现。在更成熟的盘中，其年龄都在百万年以上。人们认为这一时间尺度足以形成较大质量的行星，譬如太阳星云必须在其几百万年的寿命里形成木星（否则它将无法吸积气体包层成为巨星行）。正如大质量的行星能够清空其轨道周围的物体一样（这也是国际天文学会关于行星的定义之一），行星的引力也会通过与气体盘相互作用试图清空其轨道周围的盘中的气体。这种效应对于越大质量的行星越为有效，而人们也倾向于将观测到的这类亚结构归结于行星形成的结果，并且对个别系统也发现了行星激发亚结构的直接或间接的证据[13]。
然而，行星形成并不是对环状亚结构的唯一解释。近年来，人们提出至少十多种不依赖行星的方式同样使气体盘中产生环状亚结构的理论，比如这可能同盘中不同气体成分在特定温度下凝华对应的雪线有关，抑或是由挥之不去的磁场造成的。不论何种原因，气体的不均匀性促使尘埃聚集，而这种尘埃的聚集则进一步在局部催生和加速了随后行星形成的进程。在这一框架下，亚结构不是行星形成的结果，而是成因和先兆。于是，我们陷入了鸡生蛋还是蛋生鸡的悖论中。
对于盘在形成极早期中呈现出的环状亚结构究竟是行星形成的因还是果，目前我们还不得而知。更多更精细的观测也许会为我们带来更多线索。也许是这些亚结构孕育出了第一代行星，它们进而产生了我们在成熟的盘中看到的更为丰富的亚结构？如果这一时期行星已经形成，或许将为我们关于行星形成的认识带来颠覆性的飞跃。
07 迷雾重重
关于盘的早期形成，人们研究的难点很大程度上在于盘被正在塌缩的包层围了起来，而包层中的沙尘暴，使得无论在观测还是理论方面的研究都迷雾重重。除前文重点讲述的内容之外，这里再简要列举几点。
早期的盘质量可能较大，从而诱发盘中的引力不稳定性。引力不稳定性的结果之一便是形成行星质量量级的团块，这是行星形成的另一套理论框架，可以在极短的时间内形成较大质量的行星。它在盘的早期形成和演化中起到怎样的作用？有哪些观测的表现？可否解释早期盘中的亚结构？
人们观测到以猎户座FU星为代表的一类年轻的原恒星能够在短时间（<1年）内亮度上升百倍，并维持至少数十年之久。由于这一时期原恒星的亮度很大程度来自盘的吸积，由此推断早期盘的吸积过程普遍存在间歇性的爆发。这种爆发的成因是什么？它对盘的演化和行星形成有什么影响？
最后，除了我们对太阳系外原行星盘的研究，事实上有更多信息来自太阳系内部。比如球粒陨石中的富钙铝难熔包体（Calcium-Aluminum-rich Inclusions）被认为是太阳系中最古老的物质，通常用以定义太阳系形成的时间零点（45.67亿年）。在物理上这一时间零点对应于怎样的过程？相当于原行星盘的哪个阶段？
应当说，原行星盘和行星形成是一门天文学中相对年轻的领域，而研究原行星盘的形成又是年轻领域中的新兴方向，有无尽的未解之谜。在未来，ALMA必将在观测方面继续发挥主导性作用，而中国作为核心成员国之一加入的正在建造中的平方千米阵列（Square Kilometer Array），由于其更长的波段（即穿透能力）和更强大的集光能力也将在几年后开启新的观测窗口。
在理论方面，随着超级计算机的发展和计算软件的迭代升级，人们将可以逐渐做到更系统、更细致地考察宏观和微观层面的物理对盘乃至行星形成的影响。与此同时，随着行星科学作为一级学科在国内的兴起，将原行星盘的观测，理论与数值模拟，以及基于陨石乃至未来小行星探测等研究的结合与交叉，势必终将带领我们透过重重迷雾，逐渐揭示行星乃至生命诞生的物理本质。
“
作者简介
白雪宁
2012年在普林斯顿大学获博士学位，清华大学高等研究院研究员、天文系兼职教授，主要研究兴趣为系外行星形成、等离子天体物理和计算天体物理。
”
参考文献
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