行星是在什么時候形成的？可能比你想象的還要早。近日，一個由荷蘭、瑞典和丹麥天文學家組成的研究小組在《自然·天文》發(fā)表文章稱，對恒星系統(tǒng)TMC1A的觀測顯示，行星的孕育過程早在恒星形成早期就啟動了。這更新了人們對行星形成時間的認識，而且或許還能解釋木星和土星等巨型行星的形成問題。

誕生于原恒星的“胚胎”

最近二十多年來，天文學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)以千計的系外行星。統(tǒng)計研究表明，行星在銀河系中是廣泛存在的，幾乎每一顆類似太陽的恒星周圍都可能存在一顆或多顆行星。關于行星是如何形成的，長期以來都是天文學中一個重大而基本的問題。

經(jīng)過不懈的努力，天文學家逐漸勾畫出了行星系統(tǒng)形成的大致輪廓。宇宙空間中的一團分子云在引力作用下發(fā)生收縮，在它的中心部分，溫度不斷升高，形成所謂的“原恒星”。而包裹在周圍的物質(zhì)在引力和自轉(zhuǎn)的共同作用下，一邊朝著中心的原恒星下落，同時逐漸向原恒星的赤道平面方向聚集，形成一個扁平的原行星盤。此時原恒星和盤都被包裹在一個巨大的氣體包層里，如同正在孵化的雞蛋，包層里的氣體還在不斷地下落到原恒星，及其附屬的盤上，天文學家把這一過程形象地稱為恒星胚胎的“生長”。這一階段持續(xù)的時間大約為1萬到10萬年。

但是這種生長并非是無限持續(xù)的，而是會由于胚胎自身的原因被打破。在接下來數(shù)十萬到數(shù)百萬年的時間里，隨著原恒星溫度升高，星風和紫外輻射越來越強烈，最終驅(qū)散了包裹在周圍的氣體包層，恒星胚胎破殼而出。但它還不算嚴格意義上的恒星，因為溫度還不夠高，不足以引發(fā)氫核聚變。因為丟掉了絕大部分的氣體包層，原恒星的質(zhì)量就幾乎不再增長了，但此時行星的“種子”——原行星盤中的塵埃粒子卻在不斷碰撞、粘連、融合，逐漸長大，形成行星的最原始胚胎——“星子”。

略有不足的質(zhì)量估算方法

雖然這個理論得到了很多觀測證據(jù)的支持，但是有相當多的細節(jié)還需要完善。其中一個問題是，目前已經(jīng)觀測到了為數(shù)眾多的年齡大于200萬年的“成熟”的原行星盤，它們的平均質(zhì)量只相當于海王星，無法形成像木星和土星這樣的巨行星。這是由于行星是原行星盤中的物質(zhì)聚集而成的，顯而易見行星的質(zhì)量不會超過原行星盤的總質(zhì)量。換言之，原行星盤中的物質(zhì)總量決定了行星質(zhì)量的上限。

為了解決這個矛盾，天文學家們重新審視了測量原行星盤質(zhì)量的方法。原行星盤是星際物質(zhì)坍縮、吸積而來的，星際物質(zhì)包含兩個部分：氣體和塵埃。其中氣體占大部分，總質(zhì)量大約是塵埃的100倍。然而氣體的主要成分是氫分子（H2），在低溫時幾乎不發(fā)出輻射，因此天文學家往往通過測量塵埃在亞毫米波段的熱輻射來估計塵埃的質(zhì)量，進而根據(jù)氣體和塵埃的比例估算原行星盤的總質(zhì)量。

不過這種方法需要假設塵埃粒子是相對比較“透明”的，而實際情況是它們的透明度與塵埃粒子的大小、溫度等諸多因素都有關。如果錯誤地估計了塵埃的透明度，就會低估行星盤的總質(zhì)量。另一方面，原行星盤中的塵埃相對于氣體的實際比率可能遠低于星際物質(zhì)，這也會導致得到的總質(zhì)量比實際情況要低。

另一種更為直接的方法就是觀測某種氣體分子發(fā)出的譜線來估算氣體的質(zhì)量，繼而得到盤的總質(zhì)量。一氧化碳（CO）是星際介質(zhì)和原行星盤中廣泛存在的一種分子，其中含量最豐富的CO分子因為透明度太低，不適合觀測，但是由碳和氧的同位素組成的幾種同位素體，例如13CO、C18O則含量適中——既不太高，因而具有足夠高的透明度，又沒有低到無法觀測的程度，很適合測量氣體的總質(zhì)量。

但是CO分子及其同位素體在盤的外側(cè)溫度比較低的地方會“凍結(jié)”成固態(tài)的干冰，這部分分子就無法被觀測到。此外，部分CO分子還會發(fā)生化學反應，轉(zhuǎn)換成CO2和一些有機分子。一些觀測表明，由這種方法得到的盤質(zhì)量比通過塵埃得到的結(jié)果還要低。

更早更快的孕育過程

這次天文學家觀測到TMC1A是一個年輕的低質(zhì)量原恒星系統(tǒng)，帶有一個半徑為100天文單位（AU，1天文單位為1.496x108千米）的原行星盤，位于著名的金牛座分子云里，距離地球140秒差距（約460光年），年齡最多只有幾十萬年。先前的觀測表明，這個原恒星系統(tǒng)被一個由星際物質(zhì)所組成的巨大的包層所圍繞，包層中的物質(zhì)還在不停地下落到中心的原恒星及其行星盤上，是一顆典型的尚未“破殼而出”的原恒星系統(tǒng)。

2016年，一個由荷蘭、瑞典和丹麥天文學家組成的團隊用歐洲南方天文臺（ESO）的阿塔卡瑪大型毫米亞毫米射電陣列（ALMA）觀測了TMC1A，以前所未有的分辨率獲取了這個原恒星系統(tǒng)在毫米波段的圖像。

最近，這個小組又重新分析了他們的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在原恒星周圍40AU的范圍內(nèi)存在塵埃的熱輻射，而13CO和C18O這兩種一氧化碳氣體分子的輻射比塵埃輻射延伸的范圍要大得多，達到了70AU。但是令人驚訝的是，在行星盤的內(nèi)部，距離中心15AU的范圍以內(nèi)，這兩種氣體分子的輻射都消失了，在圖像上如同出現(xiàn)了一個“空腔”，這與傳統(tǒng)理論不符。

對此，最有可能的解釋是在距離中心30AU的范圍內(nèi)，塵埃已經(jīng)通過互相融合，生長到了比較大的尺寸，大于1毫米，因此變得非常不透明，以至于完全屏蔽掉了CO同位素體分子的輻射。根據(jù)塵埃的輻射，科學家估算出這個原行星盤所包含的塵埃和氣體的總質(zhì)量大約是木星質(zhì)量的幾十倍，足以在將來形成好幾顆類似木星的巨行星。

考慮到TMC1A是一個非常年輕的原行星盤系統(tǒng)，這項新的觀測表明，原行星盤里塵埃粒子的增長過程比先前預想的更早、更快。也就是說，在原行星盤演化的早期階段，形成行星的最原始“種子”就已經(jīng)在其中孕育了。這個研究團隊的主要領導者，瑞典查爾姆斯理工大學的佩爾·本杰爾克利則表示，這個現(xiàn)象可以解釋為什么原行星盤可以形成像木星和土星這樣大質(zhì)量的巨行星。