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星周盘及行星系统的形成
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Jane S. Greaves 文 Shea 译 |
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星周盘在演化中扮演了一个关键的角色，为气体向内输运提供了一种途径。向外转移角动量可以使得星体收缩而免于瓦解，并且盘中剩余的气体和粒子也为行星的形成提供了物质储备。高分辨率的光谱揭示了遗迹盘中行星的运动，从红外到毫米波的成像观测显示了几十亿年来盘的结构演化。绝大多数恒星生来就有一个盘，而行星形成的模型也要求在1千万年的时间内行星从盘中形成。 恒星周围的盘就是气体和粒子的扁平聚集，它们遵循着类似行星的轨道。恒星形成于分子云中自引力核心的坍缩，一般而言它总是存在着转动。角动量守恒预示，当核心收缩时，自转必定加速，这将防止粒子沿直线直接掉入成长中的恒星。除了部分粒子会由于没有旋转从两极掉入以外，其他的所有粒子必须先集中到赤道带上；这一过程就会形成星周盘。 在天文学中盘是无处不在的，因为角动量守恒是普适的规律。而且几乎所有的天体形成之初都或多或少的带有自转，因此它们会坍缩成一个平面而不是一个点。所以盘会频繁的出现，从承载着几十亿颗恒星的旋涡星系到黑洞周围微小而高能的吸积区域。在可以被成像观测到之前很长时间，恒星周围的盘就已经被发现了。从太阳系中几近共面的行星轨道就能推断出它们可能形成于一个扁平的盘中。在现代，由于年轻恒星的高光度其周围的星云开始被发现（由于仍在收缩，因此具有较大的发射面积），在一些情况下怀疑其中央有盘的存在。在60年代，发现一些年轻恒星存在红外超辐射，这被认为是粒子吸收恒星的可见光继而再以长波辐射的缘故。天文学家意识到，年轻恒星周围的盘既可以产生红外超辐射也可以规整恒星的角动量。到70年代，盘被用来解释恒星周围散射光的偏振、具有脉泽辐射气体团块的轨道运动以及恒星的准直喷流。然而直到80年代才得到了第一张盘的照片；这一引人注目的结果来自绘架座β。这个由散射光的粒子组成、从地球上只能看到其侧向的薄盘给我们带来了突破性的观念——行星的核心可能是由尘埃在盘中凝聚而成的。  在印象中，形成恒星的物质很显然不可能球形的展开，否则我们就无法看到来自恒星本身的光了。一个扁平的盘允许光线沿视线方向传播，因此只有从侧向看时盘才会挡住星光。但是，在80年代的文献中出现的词是“壳层”而不是“盘”，而且值得注意的是，在“盘”这个词被使用之前，并没有获得有关的照片。另外，尽管很难解释它们的形成，但是现在还无法确定是否所有的恒星都是从盘中诞生的。更奇特的过程也可能出现，例如两颗原恒星的并合。但是对年轻星团的观测显示，超过80%的恒星具有红外超，这预示了在演化中出现盘是相当普遍的。 为了简单起见，下面的讨论将针对类太阳恒星盘的演化。它们星周盘的质量大约是其中央恒星质量的15%，其轨道速度大约为开普勒速度，即对于1个太阳质量的星体从1-100天文单位（1天文单位等于地球到太阳的平均距离）处的速度为30-3km/s。盘的半径从土星轨道（小于10天文单位）到800天文单位不等。在一些情况下，盘可以囊括一个双星系统，即包含两颗恒星而不是一颗。这些系统很少被研究，但却非常重要，因为三分之二的类太阳恒星都有伴星。 按照恒星年龄可以将盘的演化分成不同的阶段。对于最早的10Myr（Myr是1百万年的缩写），盘被称为原行星盘，其拥有大量的尘埃和气体。根据光学形状以及星-盘系统的近红外光谱，可以将这一阶段进一步划分成0-Ⅲ个亚类。这些分类与恒星和盘的相对质量有关，因为恒星的质量在增加而盘的则在减少。结果在晚期会有更多的星光直接辐射出来。这一分类并不能体现出演化的顺序，因为盘的质量分布以及我们的视角会影响辐射是否被遮挡。结果是具有不同观测分类的恒星可能有着相似的年龄。在这10Myr之后，盘的质量会急剧下降，只有罕见的几个处于转变阶段的盘被观测到了，例如绘架座β。在这之后是一个长得多的时期，在原行星盘阶段形成的彗星和小行星之间的碰撞会再一次产生尘埃。这些尘埃就形成了一个残骸盘。太阳就有这样一个稀疏的彗星环——柯伊伯带，其中的碰撞鲜有发生，因此只有少量的尘埃生成。从与“先驱者”号的撞击以及柯伊伯带难以被观测到可以推测出外太阳系尘埃的存在。 年龄同样也会影响星周盘的组成。在早期，原行星盘主要由氢气组成，外加少量的碳、氮、氧以及一些简单的分子，例如一氧化碳。与此同时还存在着由碳、硅和水组成的固体粒子，统称为尘粒。由于撞击，残骸盘中会含有较大的尘粒。在撞击中蒸发的冰可能会形成暂时的小气体云，但是还没有被观测到。 在恒星的一生中，星周盘的作用一直在发生变化。0型的原恒星在最早的0.1Myr中从星云核心就可以获得其最终质量的90%；由于无法直接掉入恒星，几乎所有的物质都必须通过盘。盘也可以帮助恒星免于瓦解。当原恒星收缩成一个较小的高密度球体以便开始核反应时，由于角动量守恒其自转会加速，而加速非常之大足以使得恒星解体。盘可以扮演恒星刹车的角色，将超过99%的角动量向外传递，由于远处的一小团物质即可带走角动量，因此恒星的自转会逐渐减慢。同时，盘也起到了形成行星的作用，但是在10Myr之后的转变期中恒星会损失盘中的原行星物质。新行星的形成必须在此刻停止，因为盘的质量不足以形成核；如果此时行星还没有形成，那么它们将永远也不会形成了。但是，行星系统外围低温碎片的积累仍在继续，慢慢地聚集到一起形成半径大约1000km的类冥王星天体。 原行星盘短命的原因还不清楚。原行星盘必须是很强韧的，因为它们在像猎户星云这样高密度的地区也很常见，而那里的恒星交会必定很频繁。为什么在10Myr之后盘的质量会经历一次剧烈减少呢？猜测是，由于星团中一颗极为明亮的恒星的辐射，盘中的物质会被剥离，但是这样一颗恒星在任何时候都会出现。也许还有更普遍的机制：例如，10Myr之后星团可能运动出了形成它们的旋臂，因此由于恒星的疏散盘的星际环境改变了。这一讨论提醒我们，我们所看到的绝大部分恒星形成都位于太阳几百光年之内，而且所含盖的时间也小于银河系的0.1%，因此我们所看到的过程可能并不是普遍的。银河系从形成以来已经经历了充分的演化，超过90%的原始气体变成了恒星，而这些恒星又产生了主导行星核心的重元素。这意味着，几十亿年前所形成的行星可能出自与今天截然不同的盘。  盘作为恒星刹车是另一个未知的领域。由于气体阻尼，盘中的粒子会倾向于进入稳定轨道或者是掉向中心，但是磁场会使得它们向外运动，并且向外传递角动量。磁力线为了抵御盘的较差自转对其所造成的弯曲作用，会将束缚在磁力线上的离子输送到更远的轨道上，而中性的粒子则会依然受到粒子间的摩擦阻尼。而其他的向外作用机制，例如辐射压，只能驱逐大小在一定范围内的尘粒。事实上，据推测在年轻恒星和盘内部之间的磁场应该是环形的，而且从尘粒的指向推测盘的外围也有磁场。对于这些磁场的强度还几乎一无所知，但是它们在盘中以及在星风环境下对物质输运却起到了相对重要的作用。由于多种物理机制的联合作用，于是盘中粒子的密度几乎无法知道，这会影响对恒星最终质量的预测以及对可能形成行星的条件的研究。 盘中没有被恒星和行星吸收的物质的命运也同样是不确定的。在御夫GM的盘中观测到的距离恒星几个天文单位处的空隙显示，一些粒子已经被行星所吸收，而在“斯皮泽”红外空间望远镜的观测中也发现了大量类似的情况。但是在几百个天文单位远的地方，轨道时标非常长而且气体密度也很低，因此物质无法有效地形成较大的天体。所以，盘中气体大部分会被驱散而不是被使用；据推测，原太阳星云中只有小于10%的气体被用来构造气态巨行星的大气。使用氢在2.2μm的弱发射线，地面新的观测显示，大部分气体可以存在8-12Myr，但是示踪分子的毫米波谱预示，高密度气体呈环状，而且包围着一个低密度区域。来自年轻恒星强烈辐射的光蒸发效应可以造成这些中央区域被清空，同时星团中其他的恒星也会剥离盘的外部。 早期太阳系盘的结构和环境会严重影响行星形成的模型。目前认为太阳形成于一个星团之中，因为发现了源于超新星的同位素，它在太阳形成之后不久影响了太阳。只有在星团中才有可能与寿命较短的大质量恒星几乎同时形成。在一个星团环境中有助于解释较小的太阳系尺度以及柯伊伯带（小于50天文单位），因为当其他恒星从附近飞掠时就会造成盘的截断。在星团中，单颗恒星的交会会影响行星的形成，因此太阳系也许不能代表所有类太阳恒星附近的行星形成过程。  关于巨行星（木星、土星、天王星和海王星）的形成有两种相互竞争的模型，而类地行星（水星、金星、地球和火星）则被认为是其后剩余的星子所形成的。一种模型认为巨行星形成于固体尘埃核心的生长，直到其质量足够大可以吸引气体形成大气层。另一种模型则涉及盘的引力不稳定性（可能由飞掠的恒星所引发），部分盘的自发坍缩形成了原行星。原始形式的核心生长模型在大气开始形成之前要花上几百万年的时间，这与观测到的盘的寿命相矛盾，预示了物质必须被高效的聚集。引力不稳定模型可以使得恒星在几百年的时间里快速形成，但是要求一个大质量的盘（超过恒星质量的10%），这在观测中也是较为罕见的。 通过精确测量由于行星托拽而造成的恒星光谱多普勒位移，已经发现了130颗太阳系外行星。这些行星多种多样，包括轨道比水星小10倍的高温类木行星，而且它们的轨道偏心率都比较大。质量从0.05-15个木星质量不等。大质量行星存在预示它们会在盘中迁移以找到足够的物质，大偏心率轨道则预示了行星间引力交会的存在，这一过程非常复杂很难建立模型。模型间的差异需要观测一颗形成中的行星来辨别，由于在最近的恒星形成区中原木星形成区域的张角只有0.01角秒，因此观测到它是非常困难的。不幸的是，空隙存在的间接证据也很模糊，因为就算没有行星其他过程也能驱散当地的气体。但是，我们可以为有多少年轻恒星可以形成类似太阳系行星定出一个界限。50个地球质量的类地行星和巨行星核预示太阳星云中至少存在0.015个太阳质量的气体。这相对而言是比较大的，大约10颗恒星中仅有一颗会有这样大质量的盘，即使在星团中它的年龄也小于1百万年。这对所有的模型都提出了挑战，因为长期的多普勒巡天显示15%或者更多的恒星拥有气态巨行星。 星周盘的普遍存在以及太阳系外行星的逐渐增加都显示许多恒星都能形成行星系统。但是有一些理论认为在一些盘中行星根本无法形成，或者形成的行星很快就会被摧毁。如果形成的时标很长，例如盘的质量比较小或者盘的过于延展，那么仅有彗星大小的天体会形成；而如果形成过程非常有效，巨行星就很可能在短期内形成，进而高速向内迁移，甚至可能掉入恒星中。因此，并不是所有的恒星都具有可观测到的行星。出现拥有液态水的地球质量行星的概率还不是很清楚：模拟显示5-15%的类太阳恒星可能会拥有适合居住的行星。 另外，有15%或者更多的恒星可能具有气态巨行星。而另一种情况则是残骸盘，其中的尘埃由星子的撞击而再次形成。有证据显示许多这样的盘中含有行星，因为80%或者更多的盘仅在长波（远红外到毫米波）有辐射，而靠近恒星的尘埃则会产生中红外超。如果缺少中红外超则说明中央有一个空腔。它可能是由于巨行星驱散其轨道附近的尘埃所造成的。如果这条轨道距离恒星几十个天文单位，由于其周期长达几百年，因此无法探测到它所造成得多普勒效应，但是当它们在残骸带中驱赶尘埃时，我们也许可以拍摄到有关的照片。  我们对残骸盘的认识正在发生改变。年龄大于几百Myr的盘曾经非常罕见，因此残骸盘与地球早期所经历的大规模轰击十分类似。现在我们发现残骸盘可以维持很长时间。远红外观测显示，明亮的A型星（例如织女星）会加热尘埃，因此会拥有一个明亮的盘。这些恒星的寿命本身就小于十亿年。但是现在发现了在寿命更长的恒星周围低温尘埃的毫米波辐射。对于类太阳恒星，随着年龄的增长残骸盘不会大幅度减少。事实上离太阳最近的类太阳恒星鲸鱼τ在10Gyr之后仍然会拥有残骸盘，超过了太阳的2倍。邻近类太阳恒星的残骸盘发现率是9%，算上毫米波观测可以上升到大约30%，再加上多普勒观测发现的太阳系外行星系统，大约有45%的恒星可能具有与太阳系不同的行星系统。 通过高精度的可见光和近红外光谱以及远红外和毫米波的成像观测，可以获得更多的观测数据。新的观测设备将被用来探测形成中的行星，尤其是高分辨率的毫米波干涉阵ALMA，还有灵敏的赫歇尔空间望远镜以及詹姆斯·韦伯空间望远镜都将专注于红外波段的观测。 |
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出自：Science
发布日期：2005-01-07
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2001-2009 火流星工作组制作
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