21.3: 行星在其他恒星周围形成的证据

学习目标

在本节结束时，您将能够：

• 追踪原恒星周围尘埃的演变，从而形成岩石行星和天然气巨头
• 使用对年轻恒星周围圆盘的观测来估计行星生长的时间尺度
• 根据环星尘盘图像中看到的结构，评估围绕形成恒星的行星的证据

在行星上发育并发现它对我们的生存至关重要，我们对行星如何融入恒星形成的故事特别感兴趣。 然而，太阳系以外的行星极难被探测。 回想一下，我们在自己的系统中看到行星只是因为它们反射阳光并且在附近。 当我们观察其他恒星时，我们发现行星反射的光量只占其恒星发出的光的一小部分，令人沮丧。 此外，从远处看，行星在亮得多的母恒星的眩光下迷失了方向。

原恒星周围的磁盘：编队中的行星系统

探测可能用来组装行星的散布原材料比在行星完全形成后探测行星要容易得多。 通过我们对太阳系的研究，我们了解到行星是由气体和尘埃粒子聚集在一起围绕一颗新生恒星的轨道而形成的。 每个尘埃粒子都由年轻的原恒星加热，并在光谱的红外区域辐射。 在任何行星形成之前，我们可以从所有散开的单个尘埃粒子中探测到这样的辐射，这些尘埃粒子注定要成为行星的一部分。 如果磁盘阻挡了来自其后方光源的明亮光线，我们还可以检测到磁盘的轮廓（图\(\PageIndex{1}\)）。

图\(\PageIndex{1}\)：Protostars 周围的磁盘。 这些哈勃太空望远镜图像显示了猎户座星云中年轻恒星周围的四个圆盘。 在星云中发光气体的明亮背景下，可以看到尘土飞扬的黑暗圆盘勾勒出轮廓。 每张图像的大小大约是我们行星系统直径的30倍；这意味着我们在这里看到的圆盘的大小从冥王星轨道的两到八倍不等。 每个圆盘中央的红色光芒是一颗不超过一百万年的年轻恒星。 这些图像对应于第 21.1 节图\(21.1.7\) (d) 部分所示的原恒星生命阶段。

一旦尘埃粒子聚集在一起形成几颗行星（也许还有一些卫星），绝大多数尘埃就会隐藏在我们看不见的行星的内部。 我们现在所能探测到的只是来自外表面的辐射，它覆盖的区域比它们形成的巨大尘土飞扬的圆盘要小得多。 因此，在尘埃粒子结合成行星之前，红外辐射量最大。 出于这个原因，我们寻找行星首先要从制造行星所需的材料中寻找红外辐射。

气体和尘埃盘似乎是恒星形成的重要组成部分。 观察表明，几乎所有非常年轻的原恒星都有磁盘，磁盘的大小从10到1000 AU不等。 （相比之下，冥王星轨道的平均直径为80 AU，而较小的冰体柯伊伯带的外径约为100 AU，这可以说是我们自己的行星系统的粗略大小。） 这些圆盘中所含的质量通常为我们自己的太阳质量的1-10％，这超过了太阳系中所有行星的总质量。 这些观测结果已经表明，很大一部分恒星的生命开始时在正确的位置有足够的物质来形成行星系统。

行星形成和生长的时机

我们可以利用对圆盘如何随时间变化的观测来估计行星形成需要多长时间。 如果我们测量原恒星的温度和亮度，那么，正如我们所见，我们可以将其放置在H—R图中，如图所示\(21.2.1\)。 通过将真正的恒星与我们的原恒星应如何随时间演变的模型进行比较，我们可以估计它的年龄。 然后我们可以看看我们观察到的圆盘如何随着它们周围恒星的年龄而变化。

这些观测结果表明，如果一颗原恒星的年龄不到大约100万至300万年，它的圆盘会从非常靠近恒星表面的距离一直延伸到数十或数百个非盟以外。 在较旧的原恒星中，我们发现圆盘的外部部分仍然含有大量灰尘，但内部区域已经流失了大部分灰尘。 在这些物体中，圆盘看起来像甜甜圈，原星以洞为中心。 当恒星存在一千万年时，大多数圆盘的内部密集部分已经消失了（图\(\PageIndex{2}\)）。

图\(\PageIndex{2}\)：围绕两颗星的原行星盘。 每颗恒星的左视图显示了哈勃太空望远镜对其原行星盘的红外观测结果。 中心恒星比周围的圆盘亮得多，因此仪器包括一个日冕仪，它有一个小盾牌，可以阻挡中心恒星的光线，但可以对周围的圆盘进行成像。 每颗恒星的右图显示了基于观测结果的圆盘模型。 HD 141943 恒星的年龄约为 1700 万年，而 HD 191089 的年龄约为 1200 万年。

计算表明，一颗或多颗行星的形成可能会产生类似甜甜圈的尘埃分布。 假设一颗行星在离原恒星几个非盟的地方形成，大概是由于圆盘中的物质聚集在一起。 随着地球质量的增长，该过程清理了其邻近的无尘区域。 计算还表明，任何最初位于原恒星和行星之间区域但没有被行星席卷的小尘埃颗粒和气体都将在大约5万年后很快落入恒星上。

相比之下，行星施加的引力阻止了位于行星轨道之外的物质进入空洞。 （我们在土星环中看到了类似的东西，牧羊人卫星的作用使环边缘附近的物质无法扩散。） 如果行星的形成确实是在围绕非常年轻的恒星的圆盘上产生和维持空洞的原因，那么行星必须在 300 万到 3000 万年后形成。 与大多数恒星的寿命相比，这是一个很短的时期，表明行星的形成可能是恒星诞生的快速副产品。

计算表明，积聚可以推动行星的快速生长——在圆盘中运行的尘粒大小的小粒子碰撞并粘在一起，而较大的集合物随着吸引和捕获较小的行星而增长得更快。 一旦这些团块长到大约 10 厘米左右，它们就会进入发育的危险阶段。 在这种大小下，除非它们能长到直径超过100米，否则它们会受到与盘中气体的摩擦所产生的阻力，并且它们的轨道会迅速衰减，使它们坠入主恒星中。 因此，这些尸体必须迅速长到直径将近1千米的大小，以避免惨重的命运。 在这个阶段，它们被认为是 planetesimals（你在《其他世界：太阳系简介》中学到的一小块固体物质——冰和尘埃粒子）。 一旦它们存活到这样的规模，最大的幸存者将通过积聚较小的小行星继续成长；最终，这个过程会产生几颗大行星。

如果生长中的行星达到的质量大于地球质量的10倍左右，则它们的重力足够强，足以捕获并保持残留在圆盘中的氢气。 届时，它们的质量和半径将迅速增长，达到巨大的行星尺寸。 但是，要做到这一点，这颗快速演变的中心恒星还没有因为其越来越强劲的风而驱走圆盘中的气体（参见前面关于恒星形成的章节）。 从观测中我们可以看出，圆盘可以在1000万年内被吹走，因此，从天文学上讲，巨型行星的生长也必须是一个非常快的过程。

碎片盘和牧羊人行星

新形成的恒星周围的尘埃要么逐渐融入新形成的行星系统中不断增长的行星中，要么通过与行星的引力相互作用喷射到太空中。 除非持续为磁盘提供新材料，否则灰尘将在大约 3000 万年后消失。 本地彗星和小行星是最有可能的新尘埃来源。 随着行星大小的天体的生长，它们会搅动该区域中较小物体的轨道。 这些小物体高速碰撞，破碎并产生微小的硅酸盐尘和冰颗粒，这些颗粒可以使圆盘获得这些碰撞产生的碎片。

数亿年后，彗星和小行星的数量将逐渐减少，碰撞频率将降低，新鲜尘埃的供应将减少。 请记住，早期太阳系中的猛烈轰炸在太阳只有大约5亿年的历史时就结束了。 观测表明，当恒星达到4亿至5亿年的年龄时，恒星周围尘土飞扬的 “碎片盘” 也基本上无法察觉。 但是，很可能会有少量的彗星物质留在轨道上，就像我们的柯伊伯带一样，这是海王星轨道之外的扁平彗星盘。

在一个年轻的行星系统中，即使我们无法直接看到行星，行星也可以将尘埃粒子集中成团块和弧线，这些团块和弧线比行星本身大得多，更容易成像。 这类似于土星的微小卫星传送环中的粒子并在土星环中产生大弧线和结构的方式。

现在已经在许多恒星周围发现了碎片盘——其中许多只有这样的团块和弧线，例如金牛座星座中距离地球约450光年的HL Tau（图\(\PageIndex{3}\)）。 在某些恒星中，环的亮度因位置而异；在其他恒星周围，环中有明亮的弧线和间隙。 亮度表示尘埃的相对浓度，因为我们看到的是环中尘埃颗粒发出的红外线（热辐射）。 更多的灰尘意味着更多的辐射。

人物\(\PageIndex{3}\)：围绕着一颗年轻星星的尘圈。 这张照片由ALMA（阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列）拍摄，波长为1.3毫米，显示了年轻的恒星HL Tau及其原行星盘。 它揭示了多个环和缝隙，这些环和缝隙表明存在新兴行星，这些行星正在清理轨道上的尘埃和气体。

观看 NRAO（国家射电天文台）主任的简短视频片段，该片段描述了年轻恒星 HL Tau 的高分辨率观测结果。 当你在那里时，观看艺术家制作的原行星盘动画，看看新形成的行星绕着宿主（父）恒星飞行。

摘要

观测证据表明，大多数原恒星都被圆盘所包围，这些圆盘的直径足够大，质量足以形成行星（高达太阳的10％）。 几百万年后，圆盘的内部被清除掉了灰尘，然后圆盘的形状像甜甜圈，原恒星以洞为中心，这可以用在内部区域形成行星来解释。 在几颗较老的恒星周围，我们可以看到由小天体（彗星和小行星）相互碰撞时产生的碎片形成的圆盘。 碎片盘环中物质的分布可能由牧羊行星决定，就像土星的牧羊人卫星影响其环中物质的轨道一样。 原行星如果长到地球质量的10倍或更大，而其圆盘中仍有大量气体，则可以捕获更多的气体，成为太阳系中的木星这样的巨型行星。