本文转自:北京邮电大学出版

在过去很长时间里,唯一可供天文学家研究的星系只有人类所处的太阳系。然而,美国航空航天局投入使用的斯皮策空间望远镜却开辟出更广阔的视野。运行仅仅数月之后,斯皮策空间望远镜就超出了创建者最乐观的预期:它不仅找出了新生行星的明显证据,而且向人们揭示出行星形成过程中奇异的奥秘,其随意和千奇百怪的程度远远超乎任何人的想象。

“造星假说”受到冲击

天文学家在很久之前就提出了制造行星的基本方法。这种方法最简单不过:拿一团星际分子云轻轻摇动,再等各种成分的运动平息下来。气体和尘埃开始在自身重力的作用下坍缩,大量物质向中心聚集,形成了恒星的雏形。然而,初始星云的任何微小旋转在收缩过程中都会明显放大。旋转运动会将物质压成一个气体和尘埃构成的圆盘,在100万年间向内旋转并降落在新生恒星上。圆盘里剩下的物质开始形成行星。这一过程清楚地解释了为何我们太阳系的所有行星都以同样的方向旋转,并且轨道几乎在一个平面上。

以上的说法都明晰合理,但要解释行星如何从恒星剩余物中形成则很棘手。人们提出了很多行星形成的详细理论,但大多以大量假设为基础,很难分辨哪个理论符合真实世界的情况。亚利桑纳大学的天文学家乔治·里克说:“我们真正需要的是约束,令这些理论跳出幻想的范畴。”

然而,这些假说在20世纪90年代受到了冲击,因为天文学家首次发现太阳系外还有行星在围绕其他恒星运行。出乎所有人意料的是,这些星系与我们的太阳系截然不同:很多星系有所谓的“热木星”,也就是轨道距离恒星极近的庞大气体行星,温度超过540℃;还有很多新发现的行星以高度椭圆的轨道运行,有时距离恒星很近,有时又非常远,这也与太阳系行星通常接近圆形的轨道不同。

研究者以前认为,行星自形成之后位置就不再变化,但“热木星”的存在表明,在行星生命早期,轨道常常会剧烈变化。大行星可能在一开始距离恒星比较远,然后由于引力作用呈螺旋状靠近。这种轨道改变可能毁灭已经形成的像地球这样的小型行星,因为向内运动的大行星会像保龄球撞倒球瓶一样摧毁小行星。因此,行星形成的时间和体积——快还是慢、大还是小——至关重要。电脑模拟显示,小型的陆地行星很可能形成比较慢,但这些也只是推测。里克说:“它到底要花多长时间?1000年还是1000万年?理论学家可能会元休止地争论下去。我们需要的是正在形成行星的真实星系的真实数据。”而这些数据,正是斯皮策空间望远镜每天所获得的。

初显身手

有很长一段时间,科学家一直怀疑斯皮策空间望远镜到底能不能由图纸付诸现实。这个想法是在20世纪70年代末期提出的,最初的理念是在宇宙飞船上建立一座红外观测台。历经数十年,“斯皮策”的基本任务始终如一:通过观测红外线来加深对宇宙的了解。这种射线很适于研究那些不像太阳和其他恒星一样烈焰熊熊的物体,因为它们基本不发出可见光,却释放大量红外线。更重要的是,红外线能有效穿透尘云,因此我们能对太空中的隐蔽地区一览无余。

2003年8月25日,耗资7亿美元的斯皮策空间望远镜搭乘火箭升空了。不久之后,它就为研究者提供了一项重大发现。罗彻斯特大学的天文学家丹·沃特森负责将摄谱仪得到的新恒星“Cohen-Kuhi4”的长波和短波数据结合起来,这颗恒星属于金牛星座,距离地球420光年。光谱能显示恒星以不同波长释放能量的多少,每个波长对应一种温度。恒星本身会形成单峰值的光谱,大量能量集中在炽热的短波上;环绕恒星的低温尘埃盘会释放出很多长波红外线,在光谱中形成另一个峰值。但沃特森看到的与两种模式都不相符。显然这是一颗年轻的恒星,在它周围有低温尘埃盘,但是有什么东西将尘埃盘的红外信号“咬”掉了一大块。

沃特森说:“尘埃盘内环部分释放的光完全消失了。我立即想到这意味着什么。”他将数据整理好,传送给了比尔·福雷斯特。福雷斯特说:“我立刻知道我们发现了一颗行星。如果尘埃盘有一部分消失了,一定是有什么东西把它清除掉了。一颗巨大行星形成后不久,它的引力会在尘埃盘中扫荡出一个环状孔洞。‘Cohen-Kuhi4’周围的缝隙很可能就是这样形成的。”

“Cohen-Kuhi4”处于演化的初期,这个阶段在以前没有人详细观察过。沃特森和福雷斯特研究之后得出结论,这颗恒星和尘埃盘大约有100万年的历史,几乎是已知出现大洞的恒星系统年龄的1/10。天文学家第一次得到证据证实,恒星形成可以是一个很快的过程。从华尔兹到摇摆舞

但发现“Cohen-Kuhi4”的环形洞还只是故事的开始。从那以后,科学家又发现了一些类似的尘埃盘和很多年轻的其他恒星。

他们从这些观察数据中得出的结论是:行星形成过程“有快有慢”。斯皮策空间望远镜研究的尘埃盘的平均年龄有1亿年,是“Cohen-Kuhi4”周边行星形成时间的100倍左右,这令刚刚推断行星会以极快速度形成的天文学家大为惊讶。他们本来以为,行星在迅速形成的过程中会用光周围的物质令尘埃盘迅速消失。但斯皮策空间望远镜的观测结果表明,尘埃盘的存在时间以及后期的行星形成过程可能要长得多。

尘埃盘不可能是最初的物质,因为最初的物质会在很早之前落到恒星上,年龄比较大的恒星周围聚集这么多尘埃的唯一途径是大型碰撞。肯定有比较大的星体自尘埃盘中形成,随后又和另一个发生碰撞。里克指出,行星在变得完全成熟之前有漫长曲折的路要走,即使在非常老的星系中,大型碰撞仍在继续。

任何一个重要的新设备启用之后,科学理论和实际观察之间的舞蹈总是从典雅的华尔兹变成混乱的摇摆舞。仅仅在进入轨道1年多之后,斯皮策空间望远镜已经大大加快了星体形成研究的步伐,令很多科学家不知所措。“斯皮策”逐步暴露出天文学家对正在外太空形成的新世界——甚至可能有适宜生物生存的新世界——有多么无知。但对科学家来说,处于无知者的地位是件好事,这意味着真正的研究就要开始了。

就在2012年7月18日,美国航空航天局宣布,天文学家利用该局的斯皮策空间望远镜发现一颗大小只有地球2/3的太阳系外行星。这颗行星名为UCF1.01,距地球约33光年,表面温度非常高,可能是与太阳系距离最近的小于地球的系外行星。