王庶民

2003年8月25日，耗資7億美元的“斯皮策”太空望遠鏡搭乘火箭升空了。我們都知道，在地球外太空，已經(jīng)有了“哈勃”望遠鏡，那么人們?yōu)槭裁催€要再添一個太空望遠鏡呢？原來，這個“斯皮策”望遠鏡所觀察太空的方式比較特別。它專門用于接收穿透力強的紅外線，從而可以觀測厚密星際云團中恒星和行星的形成過程。也就是說，宇宙塵埃是遮擋不住它窺探的目光。

神奇的“紅外”視線

用紅外線來觀測太空這個想法很早就有了，大約是在20世紀70年代末期就有人提出了，最初的理念是在宇宙飛船上建立一座紅外觀測臺。歷經(jīng)數(shù)十年，“斯皮策”終于上天了。它的任務(wù)就是：通過觀測紅外線而加深對宇宙的了解。紅外線很適于研究那些不像太陽和其他恒星那樣烈焰熊熊的物體，因為它們基本不發(fā)出可見光，卻釋放大量紅外線。更重要的是，紅外線能有效穿透塵云，因此我們能對太空中的隱蔽地區(qū)一覽無余。

利用紅外線，“斯皮策”太空望遠鏡開辟了更廣闊的視野。沒有辜負人們的期望，運行僅僅數(shù)月之后，“斯皮策”望遠鏡就超出了設(shè)計者們最樂觀的預(yù)期。它觀察到了新生行星的明顯證據(jù)，并且向人們展示出，行星形成過程之怪異，其多樣性所顯示的千奇百怪程度遠遠超乎人們之前的想象。

地球上的人們最熟悉的星系當然是太陽系。人們研究的最多的星系也是太陽系。這種單一的研究目標顯得非常單調(diào)。而借助“斯皮策”太空望遠鏡，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了新的“太陽系”。他們發(fā)現(xiàn)，在一顆類似太陽的恒星周圍可能有類地行星正在形成。

新的“太陽”正在形成

天文學(xué)家通過觀察認為，這顆名為“HD12039”的恒星距地球大約137億光年，年齡約為3000萬年，大致相當于我們的太陽在其形成了約80%、我們的地月系統(tǒng)剛剛誕生時的狀態(tài)。“斯皮策”望遠鏡的紅外波段觀測能力更是派上了用場，天文學(xué)家估算出了這顆恒星的其他指標：它的表面溫度大約是3000至4000攝氏度，比太陽表面溫度略低；亮度比太陽高8%；而質(zhì)量比太陽大2%；這些數(shù)據(jù)都與年輕時的太陽相似。

這顆恒星與太陽系最相似的地方在于，它擁有一個以碎石為主的環(huán)帶。這個碎石環(huán)帶與恒星的距離大約相當于太陽系中木星到太陽的距離，大約是4至6個天文單位。而所謂一個天文單位，也就是地球到太陽的距離，約1.5億千米。這個碎石環(huán)帶非常類似于我們太陽系的小行星帶。此外，這個環(huán)帶的溫度約在零下163攝氏度左右，遠比其他類太陽恒星所擁有的環(huán)帶更溫暖。這表明這一環(huán)帶非常活躍，可能不斷有碎石物質(zhì)補充進來。

天文學(xué)家認為，與太陽系的成長狀況相比，這個環(huán)帶附近很可能正在形成或剛剛形成類地行星（即巖石行星），這顆行星誕生中的多余碎石構(gòu)成了環(huán)帶，而行星和恒星兩者引力的影響，又約束了環(huán)帶?！癏D12039”的年齡比較符合類地行星誕生的條件，此外環(huán)帶軌道的位置也符合類地行星誕生的要求。換句話說，很有可能在這個環(huán)帶附近產(chǎn)生和地球相似的行星。

行星怎么形成？

那么從理論上來講，行星是怎么形成的呢？天文學(xué)家很久之前就提出了制造行星的基本方法。這種方法最簡單不過：拿一團星際分子云（基本成分是低溫氣體和塵埃），輕輕搖動，再等各種成分的運動平息下來。氣體和塵埃開始在自身重力作用下坍縮，大量物質(zhì)向中心聚集，形成了恒星的雛形。然而，初始星云的任何微小旋轉(zhuǎn)在收縮過程中都會明顯放大。旋轉(zhuǎn)運動會將物質(zhì)壓成一個氣體和塵埃構(gòu)成的圓盤，在100萬年間向內(nèi)旋轉(zhuǎn)并降落在新生恒星上。圓盤里剩下的物質(zhì)開始形成行星。這一過程清楚地解釋了為何我們太陽系的所有行星都順同樣的方向旋轉(zhuǎn)，并且軌道幾乎在一個平面上。

這些理論究竟是否符合太空中所觀察到的實際情況呢？在長期的太空觀測中，人們發(fā)現(xiàn)了理論的很多不足之處。天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)太陽系外還有行星在圍繞其他恒星運行。出乎所有人意料的是，這些星系與我們的太陽系截然不同。很多星系有所謂的“熱木星”，也就是軌道距離恒星極近的龐大氣體行星，溫度超過1000華氏度。還有很多新發(fā)現(xiàn)的行星以高度橢圓的軌道運行，有時距離恒星很近，有時又非常遠。這也與太陽系行星通常接近圓形的軌道不同。

研究者以前認為行星自形成之后位置就不再變化，但“熱木星”的存在表明，在行星生命早期，軌道常常會劇烈變化。大行星可能在一開始距離恒星比較遠，然后由于引力作用呈螺旋狀靠近。這種軌道改變可能毀滅已經(jīng)形成的像地球這樣的小型行星，因為向內(nèi)運動的大行星會像保齡球撞倒球瓶一樣摧毀小行星。因此行星形成的時間和體積，或快或慢，是大還是小，這些問題至關(guān)重要。

實踐走在了理論的前列

電腦模擬顯示小型的陸地行星很可能形成比較慢，但這些也只是推測。天文學(xué)家不僅需要理論的支持，更重要的是，他們需要正在形成行星的真實星系的真實數(shù)據(jù)?！边@正是“斯皮策”望遠鏡每天所獲得的。

羅切斯特大學(xué)的天文學(xué)家丹·沃特森負責將攝譜儀得到的新恒星“Cohen-Kuhi4”的長波和短波數(shù)據(jù)結(jié)合起來，這顆恒星屬于金牛星座，距離地球420光年。光譜能顯示恒星以不同波長釋放能量的多少，每個波長對應(yīng)一種溫度。恒星本身會形成單峰值的光譜，大量能量集中在熾熱的短波上。環(huán)繞恒星的低溫塵埃盤會釋放出很多長波紅外線，在光譜中形成另一個峰值。但沃特森看到的與兩種模式都不相符。顯然這是一顆年輕的恒星，顯然它周圍有低溫塵埃盤，但有什么東西將塵埃盤的紅外信號“咬”掉了一大塊。

沃特森說：“塵埃盤內(nèi)環(huán)部分釋放的光完全消失了。我立即想到了這意味著什么。”他將數(shù)據(jù)整理好，傳送給了另一位科學(xué)家比爾·福雷斯特。福雷斯特說：“我立刻知道我們發(fā)現(xiàn)了一顆行星?！比绻麎m埃盤有一部分消失了，一定有什么東西把它清除掉了。一顆巨大行星形成后不久，它的引力會在塵埃盤中掃蕩出一個環(huán)狀孔洞?！癈ohen-Kuhi 4”周圍的縫隙很可能就是這樣形成的。

“Cohen-Kuhi 4”處于演化的初期，這個階段在以前沒有人詳細觀察過。沃特森和福雷斯特研究之后得出結(jié)論，這顆恒星和塵埃盤大約有100萬年歷史，幾乎是已知的出現(xiàn)大洞的恒星系統(tǒng)年齡的1／10。天文學(xué)家第一次得到證據(jù)證實，恒星形成可以是一個很快的過程。但發(fā)現(xiàn)“Cohen-Kuhi 4”的環(huán)形洞還只是故事的開始。從那以后，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了一些類似的塵埃盤和其他很多年輕的恒星。

他們從這些觀察數(shù)據(jù)中得出的結(jié)論是，行星形成過程“有快有慢”。“斯皮策”望遠鏡研究的塵埃盤的平均年齡有1億年，是“Cohen-Kuhi 4”周邊行星形成時期的100倍左右。這令天文學(xué)家們大為驚訝。他們本來以為行星在迅速的形成過程中會用光周圍的物質(zhì)，令塵埃盤迅速消失。但“斯皮策”的觀測結(jié)果表明，塵埃盤的存在時間以及后期的行星形成過程可能要長得多。

塵埃盤不可能是最初的物質(zhì)，因為最初物質(zhì)會在很早之前落到恒星上；年齡比較大的恒星周圍聚集這么多塵埃的唯一途徑是大型碰撞?？隙ㄓ斜容^大的星體，如原始行星、巨型彗星、小行星等都從塵埃盤中形成，隨后又和另一個碰撞了。

研究者認為，行星在變得完全成熟之前有漫長曲折的路要走。即使在非常老的星系中，大型碰撞仍在繼續(xù)。而在地球上的科學(xué)家們，他們之間對各種觀測結(jié)果也有不同的認識，也在積極“碰撞”，以期尋找事實的真相。在這個過程中，“斯皮策”望遠鏡立下了很大的功勞，它那能夠穿透塵埃的眼睛，使得研究者們看到了更多的宇宙圖像，從而有可能把研究深入下去。

【責任編輯】李金