在宇宙中，絕大多數(shù)天體的形成和演化所需時(shí)間極長(zhǎng)。這些時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人類的一生，因此我們無(wú)法直接觀測(cè)到絕大部分天體的形成與演化。為此，天文學(xué)家在過(guò)去一個(gè)世紀(jì)利用了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，以類似人口普查的方式，來(lái)研究這些天體在不同演化時(shí)刻的狀態(tài)。然而，雖然恒星系統(tǒng)是星系的最小單元，但人類在1995年前只知道太陽(yáng)系中存在著行星。

圖1：距離我們約130光年的恒星HR 8799周圍的四顆行星b、c、d和e，照片由詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡拍攝。圖源：NASA。

直到1995年，天文學(xué)家才在離我們約50光年的類日恒星飛馬座51中，找到了一顆行星：飛馬座51b。自此，天文學(xué)家通過(guò)各種方法（視向速度法、凌星法、天體測(cè)量法、直接成像法、微引力透鏡法等）探尋太陽(yáng)系外的行星（即系外行星），而其探明數(shù)隨著時(shí)間幾乎呈指數(shù)級(jí)別增長(zhǎng)。目前，人類已經(jīng)確認(rèn)了六千余顆系外行星的存在，并找到了熱木星、超級(jí)地球、亞海王星等現(xiàn)在在太陽(yáng)系中并不存在的天體。這些系外行星的存在及它們的多樣性，已經(jīng)有效地革新了我們對(duì)行星形成和演化的認(rèn)知。

盡管人類已知道了六千余顆系外行星，我們對(duì)行星系統(tǒng)的演化仍是管中窺豹。具體來(lái)說(shuō)，絕大多數(shù)系外行星都存在于年齡超過(guò)10億年的中年恒星周圍（即成熟行星），而僅有兩個(gè)年齡不足1千萬(wàn)年的年輕恒星PDS 70及WISPIT 2周圍存在著四顆正在形成的行星（即原行星，見(jiàn)圖2）。相比人類對(duì)恒星及星系等的研究，成熟行星數(shù)量與原行星數(shù)量的巨大差異正是系外行星研究的不足之處——天文學(xué)家亟需探明處于不同演化階段的系外行星，從而完善對(duì)行星形成與演化的了解。

圖2：距離我們約440光年的年輕恒星WISPIT 2周圍的兩顆原行星WISPIT 2 b和WISPIT 2c及星周盤。兩個(gè)原行星均在星周盤中開鑿出了溝壑。在2026年3月，天文學(xué)家不僅確認(rèn)了WISPIT 2 c的存在，并在其紅外光譜中確認(rèn)了大氣中的一氧化碳。圖源：ESO。

星周盤的子結(jié)構(gòu)：行星存在的證據(jù)

在過(guò)去十年中，隨著大型地面望遠(yuǎn)鏡及先進(jìn)儀器的啟用，人類已在一百多顆恒星周圍找到盤狀結(jié)構(gòu)（即星周盤），見(jiàn)圖3。目前認(rèn)為，由于星周盤中含有塵埃和氣體，它們正是孕育行星的搖籃。我們雖然僅探明了四顆原行星的存在，但原行星可通過(guò)引力與星周盤相互作用，從而在星周盤上造成了大量豐富的子結(jié)構(gòu)，例如圖3中的溝壑與旋臂。因此，通過(guò)研究子結(jié)構(gòu)可揭示原行星存在的證據(jù)和位置，從而指導(dǎo)人類對(duì)這些行星進(jìn)行靶向拍照。

圖3：不同恒星周圍的星周盤，盤中存在豐富的溝壑、旋臂等子結(jié)構(gòu)。這些子結(jié)構(gòu)可能是由尚未被探明的行星造成的。在可見(jiàn)光和近紅外波段，由于星周盤亮度不到恒星的萬(wàn)分之一，天文學(xué)家通過(guò)使用望遠(yuǎn)鏡的星冕儀進(jìn)行人造“星食”來(lái)遮蓋恒星，從而為星周盤及系外行星拍照。圖中白色橫線為50倍日地距離，灰色中心為星冕儀遮擋區(qū)域。圖源：ASPBOOKS。

星周盤多時(shí)刻圖：動(dòng)態(tài)理解行星形成

除了探尋原行星，通過(guò)研究星周盤的子結(jié)構(gòu)，有助于我們理解星周盤內(nèi)部的物理機(jī)制。在盤內(nèi)部，尺寸在百公里級(jí)別的星子的撞擊，可增大亦可摧毀處于形成階段的行星核心。在2026年初，利用多時(shí)刻的星周盤照片，天文學(xué)家使用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在恒星北落師門（Fomalhaut）附近，首次見(jiàn)證了星子撞擊事件，相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志，見(jiàn)圖4。

北落師門的星子曾被當(dāng)作一個(gè)奇異的行星。在北落師門的星周盤中，天文學(xué)家于2008年從哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的照片中找到了一個(gè)小亮點(diǎn)兒，并認(rèn)定其為行星，即北落師門b。然而，此行星在2014年的哈勃照片中消失。在2023年的哈勃照片中，天文學(xué)家確認(rèn)了北落師門b已消失，但在其他位置找到了一個(gè)新的小亮點(diǎn)兒。這表明：這兩個(gè)小亮點(diǎn)兒均不是行星，而是星子撞擊的證據(jù)。天文學(xué)家因此將原本意味著行星的名稱北落師門b改名為北落師門cs1（縮寫自英文circumstellar source 1，即第一個(gè)星周源），并將新的小亮點(diǎn)兒命名為北落師門cs2。根據(jù)北落師門cs1和cs2的約十年的出現(xiàn)間隔，天文學(xué)家探索到了星周盤系統(tǒng)中星子撞擊的頻率，用于動(dòng)態(tài)地理解行星系統(tǒng)的形成與演化。

圖4：北落師門的星周盤中的兩次星子撞擊事件（cs1及cs2）。天文學(xué)家通過(guò)研究星子撞擊事件的間隔，來(lái)動(dòng)態(tài)理解行星形成系統(tǒng)中的星子撞擊頻率，從而完善我們對(duì)行星系統(tǒng)的形成與演化的認(rèn)知。圖源：SCIENCE。

行星形成：立足中國(guó)，放眼世界

1992年，我國(guó)政府制定了載人航天工程的“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。2022年末，我國(guó)全面建成了我們的國(guó)家級(jí)太空實(shí)驗(yàn)室——中國(guó)空間站。對(duì)于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，我國(guó)載人航天工程規(guī)劃了一個(gè)口徑2米的大型空間天文望遠(yuǎn)鏡用于天文學(xué)研究——中國(guó)空間站工程巡天空間望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱CSST）。該望遠(yuǎn)鏡發(fā)射后計(jì)劃與我國(guó)的空間站共軌飛行，從而可以讓我們對(duì)其進(jìn)行定期的維護(hù)與升級(jí)。

針對(duì)行星系統(tǒng)的研究，CSST上安裝了一個(gè)用于理解行星形成與演化的照相機(jī)——冷行星成像星冕儀。天文學(xué)家將使用此星冕儀，對(duì)數(shù)百顆恒星逐一遮擋它們的中心區(qū)域來(lái)產(chǎn)生人造“星食”，從而來(lái)為其星周環(huán)境進(jìn)行拍照，來(lái)擴(kuò)充已有的三四十顆系外行星和一百多個(gè)行星盤的照片。與哈勃相應(yīng)的星冕儀相比，該儀器的靈敏度提升了至少一千倍，故而會(huì)有效地幫助天文學(xué)家探測(cè)到更多更暗的行星及星周盤。此外，我國(guó)的“天鄰”計(jì)劃預(yù)計(jì)在2035年左右發(fā)射一個(gè)6米級(jí)的空間望遠(yuǎn)鏡，從而有效地尋找太陽(yáng)系外的生命信號(hào)。

針對(duì)系外行星和星周盤系統(tǒng)，我國(guó)的CSST與“天鄰”將與世界上已有的大型設(shè)備及儀器（哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡、甚大望遠(yuǎn)鏡、阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列等）聯(lián)袂，并與世界上未來(lái)的大型望遠(yuǎn)鏡（羅曼空間望遠(yuǎn)鏡、極大望遠(yuǎn)鏡、宜居世界天文臺(tái)等）進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)。通過(guò)探明不同演化階段的行星系統(tǒng)，我們可以對(duì)它們進(jìn)行“人口普查”，從而一起翻開人類對(duì)行星系統(tǒng)形成與演化認(rèn)知的新篇章。

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)

編輯：夜凌Ryelin

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