超级地球，解谜行星诞生的钥匙？ | 天问专栏
► 行星的诞生之地——环绕年轻主星的原行星盘[1]
编者按
我们的太阳系以及系外行星是如何形成的？以ALMA为代表的新一代天文仪器，或许能为提供我们新的思路，解开超级地球统计之谜。天问专栏第十期，带你一窥由超级地球给予我们的关于行星形成的启示。
撰文 | 郑晓晨（清华大学）
责编 | 吕浩然
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行星是如何形成的？实际上，这个问题很难给出确切的答案。
即使随着行星探测技术的日臻进步，尤其是在美国宇航局开普勒空间望远镜等观测手段的帮助下，已经有数以千计的行星被探测发现，但是这些已探测到的行星所处的系统都相对古老，很多行星已然围绕其主星运行了几十亿年，如同我们的太阳系一样。
所以，现有的行星观测经验，告知我们的多是中、老年行星群体的生存现状。至于它们是如何诞生的，我们仍然知之甚少。
为了寻求这一问题的答案，天文学家不得不将注意力集中到行星的诞生之地——原行星盘。在这里，新的行星正在孕育。
►图1：原行星盘的演化[2]。(a) 初始状态：盘中的尘埃（小于1微米）处于未演化的原始状态，与气体混合均匀；（b）盘中尘埃逐渐成长成毫米大小（或更大）的颗粒并沉积到盘的中平面；（c）盘中气体密度逐渐降低，并被主星辐射吹散；（d）气体完全耗尽，留下一个分布着尘埃和星子（或已形成的行星）的碎片盘。
原行星盘的形成，始于大量星际气体和尘埃在引力作用下的凝结坍缩。在原行星盘的中央，是一颗闪闪发光的年轻主星，年龄不过几百万年，在环绕其周围的气体（尘埃）盘中，微尘粒子逐渐聚集形成砂粒， 砂粒进一步粘连形成卵石， 卵石又不断堆积形成小行星（asteroids）甚至行星，最终组成类似于太阳系的行星系统。
原行星盘寿命短暂，随着盘内物资的耗散而消弭（图1），其存在时标一般认为不到千万年。这一判定，主要是基于当前的观测，毕竟我们现在探测到的，有原行星盘环绕的系统，主星年龄往往仅有数百万年 。
至于原行星盘“从有到无”的过程具体是如何发生的，目前学界尚无定论。不过，对于原行星盘上的大部分物质而言，最可能的归宿应该是被主星吸积。当然，也有一小部分会因主星辐射而四处飘散，至于剩下的部分则应用于行星形成。
原行星盘的观测问天
在原行星盘短暂的数百万年时光中，尘埃和气体充斥其间。它们的存在，为行星的形成提供了成长的温床，也为我们探知原行星盘的结构提供了可能。
要知道，原行星盘中的尘埃粒子一方面会吸收（或散射）来自主星的光，另一方面也会向外热辐射。而近红外自适应光学技术（NIR adaptive optics）结合阿塔卡玛大型毫米波／亚毫米波天线阵（the Atacama Large Millimeter／submillimeter Array，简称ALMA），恰好可以探测到这些尘埃粒子的红外辐射。
ALMA天线阵位于智利，由66个直径7米和12米的无线电天线组成，在原行星盘观测方面功勋卓著。它分别于2014年和2016年基于图像探测到了HL Tauri和TW Hydrae这两个系统（图2），也是人类目前了解最清楚的两个原行星盘。
►图2：HL Tauri（左）和TW Hydrae（右）周围的原行星盘[4]。其中，HL Tauri的主星属于金牛座，年龄约为一百万年，距离地球450光年；TW Hydrae隶属于长蛇座，距地球194光年，是同类型系统中距离地球最近的恒星，年龄约为几百万年。ALMA的观测图像表明， 这两个原行星盘的子结构类似，均有一系列同心亮环，且其中一对暗沟距离很近（箭头区域）。图中距离标尺1 AU，即一个日地平均距离（约为1.5亿公里）。
原行星盘中的行星暗示问天
尽管目前观测到的原行星盘都是非常靠近地球的新生系统，但对于这些年轻的前主序星而言，因其磁场活跃、吸积剧烈，所以以现有的观测手段，即使利用高效的掩星法和视像速度法，也很难从纷繁的光噪音中直接辨别出一颗（或几颗）行星。
在不久的将来，直接成像法或有潜力可探测到原行星盘中正在形成的行星（特别是利用NASA2018年将要发射的詹姆斯韦伯空间望远镜），但至少目前直接观测还十分困难 。 所以，天文学家多倾向于根据观测原行星盘所呈现的子结构，来推测行星的存在。
目前，有三种形式的原行星盘子结构最可能与行星的形成有关：暗沟（亮环、图2）、密度波（图3）、漩涡（图4）。
►图3：环绕在新生恒星Elias 2-27周围的原行星盘。ALMA观测发现了其旋臂特征，可能由于盘内的重力扰动——密度波造成[5]。
►图4：年龄只有一百万年左右的极年轻恒星HD 142527周围的尘埃盘分布，其中上方的明亮结构可能是一个大质量行星激发产生的漩涡。图中圆环结构的半径约为140个AU[6]。
本文主要讨论暗沟这一子结构与行星形成的关系。
目前对于行星盘中的沟、环结构存在各种不同解释，但显然，这些子结构中蕴含的有关行星形成的暗示才是最吸引人的部分。可以想像，一个行星在环绕其主星运转的过程中，将借助其自身的势能，将大部分尘埃粒子和气体踢出（或吸积）其轨道势力范围，清理出一个无障碍通道，也就是我们在观测上所看见的“暗沟”。
至于这些暗沟的形状和深浅则反映了行星与盘之间相互作用的过程，这与行星的质量及盘的性质（包括盘的标高、粘滞系数等）密切相关。
如果原行星盘中发现了单一的大暗沟，则这一暗沟很可能是由其间存在的一个或多个质量较大的气体巨行星，利用势能清扫得到的。但对于一些原行星盘，观测中所呈现出的奇特多沟细节，却很难采用现有的行星形成模型来解释。
比如在由ALMA探测到的HL Tauri原行星盘中，有一对被证认的暗沟，分别位于距中心64 AU和74 AU处，两条暗沟不仅狭窄，而且间距较小。同样的情况，也出现在TW Hydrae原行星盘的观测中，分别位于37 AU和43 AU处，彼此非常接近（图2箭头标示位置）。
根据传统的行星形成理论，如果这些暗沟的存在是由于行星的势能清扫所致，那么这也意味着，系统中至少存在两颗行星，且二者轨道极为靠近，显然，这样的行星布局将触发整个行星系统的动力学不稳定。
双沟成因——超级地球？问天
有趣的是，今年7月13日，以亚利桑那大学史都华天文台（University of Arizona's Steward Observatory）博士后董若冰博士为首的科研团队（成员：洛斯阿拉莫斯国家实验室李胜台、李晖博士，加州大学伯克利分校蒋诒曾教授）在《天体物理学报》上发表了一篇文章，提出了一种全新的可能：即使单个的“小质量”行星，也可以造成原行星盘的双（多）暗沟分布[3,7,8]。
这里的小质量行星，是相对于木星一类的气体巨行星而言，行星质量介于地球与海王星之间的群体（5.965*10^24kg ~ 1.0247*10^26kg）。在天文学家所发现的，数以千计的行星中，这一类行星占有很大一部分比重，名为超级地球（Super-Earths）。
这篇文章的核心思想认为，以超级地球的质量，虽难如气体巨行星般，在其轨道周围清扫出一条“干净”的通道，但其形成的过程却足以激发气体盘中的密度波。密度波从行星处获取角动量，并自行星轨道向两侧传播。
在低粘度的原行星盘中，伴随角动量的转移，传播的密度波将逐渐耗散。最终，在距离行星轨道数个标高的位置，密度波中的非线性机制才起到主导作用，密度波断截，盘内物质会因获取角动量却无处交付，最终被逐出原有轨道，形成盘中圆环状的低密暗沟，而沟中的原有物质则会被推到边界处形成高密度亮环，且由于密度波的双向传播，最终形成分布于行星轨道两侧的双窄沟构型。
但因质量所限，超级地球对气体物质的驱除能力也十分有限。以一个十倍地球质量的超级地球为例，若其处于一个粘滞系数较低（＜0.0001），主星为一个太阳质量，标高与原初太阳系相当的原行星盘中，该行星可以在数十万年间，将位于其轨道附近的两条狭窄环带中的气体驱除10% 。
不过，盘中尘埃的境遇却大不相同，由于气体密度分布的不均匀所导致的气压差，会进一步清除气体沟中的尘埃成分，最终达到50%的驱散率甚至更高，而这些被驱逐的尘埃将在气体沟外聚集成环。
►图5：模拟单一超级地球对原行星盘中尘埃分布的影响。其中，颜色表征行星盘中尘埃的面密度扰动（即时面密度／初始面密度）：红色为高密度区域，蓝色为低密度区域。约2000个轨道周期后，这个超级地球将会在原行星盘中开出两个主要暗沟，且距离较近，暗沟之间尘埃堆积，形成亮环结构，与ALMA的实际观测结果类似[3]。
与目前大多数原行星盘模拟只考虑气体成分不同，董若冰团队的这项模拟工作混合了尘埃，与观测更为贴近。他们在二维的双流体（气体和尘埃）动力学模拟（LA-COMPASS程序）后进行辐射转移的模拟（MCRT 程序），来研究一个超级地球如何在低粘度（粘滞系数＜0.0001 ）的原行星盘中，将毫米大小的尘埃（观测可见）驱散成ALMA 中观测到的双沟构型。
研究团队将这一模拟方法称之为“合成观测（synthetic observations ）”， 因为他们的模拟结果可以与实际的观测成像直接比较（图6、图2）。
►图6：“合成观测”模拟一个处于30 AU的超级地球在行星盘中的开沟情况。结果与ALMA观测到的HL Tauri原行星盘构型类似[3]。
未来的可能问天
在这项工作中，原行星盘粘滞系数的选择相对较低，因为在低粘度的盘中，低质量行星的引力扰动效果才可以体现。虽然这一粘度系数的选择尚存争议，但这一参数本就是由湍流和其它多项物理因素共同驱动的，所以他们的假设不无可能。
例如，近来由清华大学白雪宁教授针对原行星盘进行的非理想磁流体力学计算表明，行星盘中平面处的MRI （magnetorotational instability）不稳定性很可能难被有效激发，这将导致盘中的粘度系数处于较低的水平。
更重要的是，这项工作中，无须假设类似于木星大小的气态巨行星，仅仅一个超级地球，就已经足够制造出复杂的多（双）环（沟）结构， 这也为解决有关行星统计的观测分歧找到了切入点。
传统的行星形成理论认为，只有质量更大的木星类气态巨行星或矮木星，才能利用其强大的势能在原行星盘中清扫出可观测的沟环结构。 在ALMA仅仅拍到的两张高分辨率图片上均发现存在相似的多沟环结构。
这一观测结果似乎预示着，新生行星系统中，体量庞大的婴儿期巨行星正在普遍形成或者已然形成。然而，当我们的望远镜对准几十亿年的中老年主序星时却发现，在所有捕获到的银河系成年期行星中，娇小玲珑的超级地球数量反而更惊人。换而言之，此前对很多行星盘中正在形成的行星的状态推测与银河系中的主要行星组成相悖。
而董若冰团队的这一工作，恰恰证明了超级地球此前被忽视的、强大的开沟能力， 解决了行星婴儿期与成年期的观测差异。当然，现有的原行星盘观测样本还是太少，仍缺乏完备的统计规律。
除了HL Tauri 和TW Hydrae外，近年来，还有多个年轻的恒星周围发现了原行星碎片盘的踪迹，例如Vega 和Fomalhaut。不过，相对于HL Tauri 和TW Hydrae中多沟的精细子结构，Vega 和Fomalhaut中的原行星盘多被证认为单个的大型无尘沟，范围距离主星十几AU至一百AU开外。
这样大的无尘区域，到底是多行星势力范围叠加的结果，还是由单一行星触发的激烈动力学清扫杰作，这又是另外一个有趣的话题了。
未来，ALMA将收集更多的原行星盘图像，随着这些原行星盘面纱的一一揭开，我们对于初生行星的了解必将越来越清晰深入，行星的形成过程或将不再神秘。
天问专栏
作者介绍：
· 郑晓晨，2010年毕业于华中师范大学，2010-2016就读于北京大学天文系攻读博士学位。现于清华大学天体物理中心工作，主要研究方向为行星形成和动力学演化。
致谢：感谢清华大学天体物理中心毛淑德教授、北京大学吴晓涵同学以及即将赶赴加拿大维多利亚大学任教的董若冰对本文的修改建议！
参考文献：
[1] https://scitechdaily.com/early-chemistry-stars-protoplanetary-disc-shapes-life-friendly-atmospheres/
[2] https://astrobites.org/2011/03/11/review-article-protoplanetary-disks-and-their-evolution/
[3] https://uanews.arizona.edu/story/ua-astronomers-track-birth-superearth
[4] http://scienceblogs.com/startswithabang/2016/03/31/a-nearby-infant-star-teaches-us-how-planets-begin-to-form-synopsis/
[5] http://www.almaobservatory.org/en/press-release/alma-discovers-hidden-spiral-arms-embracing-a-young-star/
[6] http://www.almaobservatory.org/en/press-release/alma-measures-size-of-planets-seeds/
[7] Dong, R., Li, S., Chiang, E., & Li, H. 2017, "multiple disk gaps and rings generated by a single super-earth", ApJ, 843, 127
[8] http://tucson.com/news/science/model-may-help-astronomers-better-understand-the-formation-of-planets/article_e7c284e8-b3d0-587d-9f27-39a200a1788d.html
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