互动科普

银河系中其它恒星周围是否存在与太阳系相仿的天体系统？抑或我们的太阳系只是一个与众不同的特例？这是推动当代天文学发展的根本问题之一，然而其答案至今仍然难以捉摸。过去9年来，天文学家已经在一些类日恒星周围发现了至少111颗行星，所依据的线索是这些行星对其母恒星的引力使母恒星出现轻微的来回摆动。但这种方法只能探测出那些质量最大且在近距离上绕恒星运行的天体，如果外星天文学家运用同一方法来考察我们的太阳系，那么他们也许只能辨认出木星（说不定还有土星)，但肯定会错过那些令太阳系丰富多彩的其它较小成员，包括小行星、彗星及类地行星等。

天文学家如何才能探测出这些较小的天体，从而更加完整地窥见形形色色的行星系的真面目呢？当春天刚落日时如果你举目西望，会在天空中发现一条线索。仔细地观望西面的天空，会看到从地平线向上延伸的一片呈三角形的昏暗亮光，也就是所谓的黄道光。黄道光是太阳光被太阳系内的行星际尘埃所散射而形成的，这个发光的三角形区域沿着太阳在天空中运行的路径延伸，表明行星际尘埃在地球轨道平面内聚集成一个盘，然而这些尘埃的引人注目之处在于按理说它本不该在此地现身。单个的尘埃颗粒非常小（根据黄道光的颜色判断，尘埃颗粒直径为20到200微米左右），这样小的微粒在阳光的作用下会很快进入螺旋形轨道，最终掉进太阳中烧毁，更小的尘粒则会被辐射压力迅速吹出太阳系。除非尘埃颗粒能够得到源源不断的补充，否则是不可能在那里呆下去的。

天文学家认为这些尘粒有两个来源，一是小行星之间的碰撞，二是彗星在运行到太阳附近时因阳光的强烈照射而蒸发掉。在火星与木星轨道之间的小行星带中，小行星的碰撞堪称司空见惯。碰撞会抛出许多尘埃，还可能会使两个小行星土崩瓦解成无数碎块，这些碎块在其后的数百万年间不停地互相挤磨，将更多的尘埃颗粒散布于空间中。至于彗星，则是阳光使彗星表面上的“脏冰”蒸发，形成壮观的彗尾，随后彗尾化为一股尘埃而烟消云散，这些尘埃闯入地球大气层之后就成为我们所看到的流星雨。

这些碎屑尘埃一旦出笼，就会散布到内太阳系的大片空间中，直至木星的轨道。在任一时刻存在于空间的尘埃总质量只有月球质量的千分之一，但由于其表面积非常庞大，因此这些尘埃比行星要明亮100倍。外星观测者在朝太阳系这个方向看过来时，首先将会看到这些尘埃，然后才会看到木星或地球。

其它恒星周围的情况也是一样。20年前，红外天文卫星（IRAS）在执行获取织女星的例行校准观测资料的任务时发现，有证据表明织女星周围存在一个碎屑盘。1990年代初，对IRAS数据所做进一步分析表明，在大约100颗恒星周围存在碎屑盘。然而这些碎屑盘绝大多数都无法直接观测到，只能通过间接方式推断出来。只是从1990年代后期起，地面和轨道上的观测仪器才为天文学家提供了若干碎屑盘的详尽图像。最新的几幅碎屑盘图像系由2002年安装在哈勃太空望远镜上的高级巡天照相机（ACS）及2003年8月发射升空的与哈勃望远镜相似，负责观测红外波段的Spitzer空间望远镜所拍摄。

最新图像所揭示的情景大大出乎天文学家的意料，令人惊喜交加。有的碎屑盘看起来像是巨型的土星光环，有的碎屑盘则有庞大的斑点、空洞和螺旋状结构等，它们全然不是人们原来所想象的那种千篇一律，平淡无奇的情形。部分这类结构可能是由看不见的巨行星所形成的。毕竟有碎屑盘就意味着有小行星或彗星的存在，而小行星和彗星是行星形成过程的副产物一一大多数小行星是由更大的天体互相碰撞而分崩离析后抛出的碎块形成的，彗星则由“星子”演变而来。星子是行星的组成单元，但有部分星子一直没有聚合成较大的天体，这类孤独的星子最后就成了彗星。在太阳系中，小行星和彗星与石质行星及巨行星并存，其它行星系的情况或许也是如此。

过去对行星形成的研究始终让人不能满意，因为只有太阳系这一个就在近处的实例，天文学家无法肯定他们的理论是否适用于其它行星系。对不同质量、不同年龄的恒星周围的碎屑盘进行观测，有助于天文学家从更全面的角度来认识我们的太阳系。

无处不在的碎屑

IRAS是天文学史上成果最丰富的卫星之一。尽管在1983年仅工作了10个月的时间，但它所进行的观测确是天文学家的一个重要信息来源。IRAS卫星在波长为12至100微米的中红外和远红外波段上进行了一次完整的巡天观测，由于这一波段上的光绝大部分不能穿透地球大气层，因此地面上的望远镜很难甚至根本不可能对其进行观测。要使物质发射的光大部分集中在远红外区，它的温度就必须相当低，大约在50至100开氏度之间。通常恒星其表明温度高达数千开氏度，因此天文学家预计它们几乎不可能被IRAS卫星观测到。

然而IRAS卫星却发现，部分恒星在这些波长上发出相当明亮的光，而且它们发射的红外光可能相当于普通恒星的数十倍乃至数百倍之多。红外辐射过剩提示恒星周围有尘埃存在，这是因为恒星发出的光使尘埃被加热，尘埃变热后就发出红外辐射，在恒星的光谱中形成一个尖峰信号[见39页图示]。这些恒星的年龄相当古老，因此它们周围的尘埃不可能是恒星形成过程中遗留下来的。同太阳系中的尘埃一样，这些尘埃肯定也是短命的，因而它们必定也通过某些看不见的天体碰撞或蒸发而获得源源不断的补充。

IRAS的分辨率不够高，无法直接观测到大多数碎屑盘。在该卫星拍摄的图像中，除了4个碎屑盘以外，其余碎屑盘全部呈现为一些无任何结构的点。不过根据碎屑盘的亮度，可以粗略地估计出其大小。因为碎屑盘越大，它所产生的红外过剩就越显著，据此可以确定这些碎屑盘的半径在100至1000天文单位之间，相当于木星轨道半径的20倍到200倍。光谱分析表明，这些尘埃的成份与太阳系彗星的成份大同小异。

光谱也揭示了尘埃分布的几何特性。IRAS卫星观测到的碎屑盘其温度跨越了一定范围，接近恒星的内区温度较高，越往外则越冷。值得注意的是大多数碎屑盘看来都不含有温度远高于200开氏度的尘埃，如果碎屑盘的范围是一直延伸到恒星的话，尘埃的温度本应更高一些。由此可以断定碎屑盘内部似乎有空洞，这些空洞的存在使天文学家获得碎屑盘具有结构的第一项证据，而这种结构可能正是由看不见的行星所造成的。

1984年，当时还在亚利桑那大学的Bradford A. Smith以及加利福尼亚州帕萨迪纳喷气推进实验室的Richard J. Terrile在对IRAS卫星的成果进行后续研究时，利用智利拉斯坎帕纳斯天文台的2.5米望远镜观测了IRAS考察过的一个恒星，即绘架座β星（Beta Pictoris）。为了挡住明亮的恒星强光而使暗弱的尘埃成份能被探测到，他们使用了日冕仪，即在望远镜上安装一块很小的遮板以阻断直射来的恒星光线。用这种方法摄得的可见光图像显示出一个边缘朝前的巨大碎屑盘，其范围从该行星起一直延伸到超过400天文单位意外的地方。最新的观测结果表明，该碎屑盘的半径在1400天文单位以上。

绘架座β星堪称一个相当罕见的特例。它距太阳系比较近（只有60光年），其碎屑盘非常大，非常明亮，而且是边缘朝向观测者的（这样就增加了它的表观亮度）。这几个因素凑在一起，使得该恒星的碎屑盘相当容易被观测到。遗憾的是，天文学家当时无法利用日冕仪观测其它的碎屑盘。从地面上通过可见光观察恒星时，恒星在天空中呈现一定的表现尺度，这一尺度由地球大气层使星光产生的模糊程度来确定。大得足以挡住恒星光线的日冕仪遮板，往往也会同时把碎屑盘也挡住。在较大的波长上，例如远红外波段，恒星相当暗弱，这样碎屑盘应该比较容易被观测到，但是大气层会吸收这些波长上的光线。波长更大的光（波长接近1毫米的光）可以从地面上探测到，但直到1990年代后期以前，能够探测这类“亚毫米”级光线的仪器其分辨率和灵敏度都比较低，具有拍摄其它碎屑盘图像技术水平的先进仪器经过13年后才研制出来。

亚毫米通用辐射热测定器阵列（简称SCUBA）的问世，标志着这一领域取得了突破性进展。1997年，当时在夏威夷联合天文学研究中心的Wayne S. Holland以及Jane S. Greaves使用毛纳克亚山上的James Clerk Maxwell望远镜所安装的SCUBA阵列拍摄了几个IRAS恒星的图像。这些图像和其它一些图像证实，除了绘架座β星以外，其它恒星周围也有碎屑盘存在。从那时至今，利用SCUBA、地基中红外探测器以及哈勃太空望远镜已经分辨出十几个碎屑盘。但是在有些情况下，远红外过剩是由与目标恒星无关的背景天体或邻近的星际气体云产生的。

彗星世界

其他恒星周围的碎屑盘绝大多数比黄道盘冷得多，也要大得多。十余年前，另一项同时开展的研究工作对造成这一差异的原因给出了部分解释。1990年代初，天文学家证实了所谓“柯伊伯带”的存在[参见《科学》1996年第9期“Kuiper带”一文]。科学家们早就猜想外太阳系存在这样一个充斥着冰质天体的带状区域，从海王星的轨道一直延伸到冥王星的轨道以外。柯伊伯带内冰质天体的碰撞应该形成有一个碎屑盘，而这个碎屑盘将是比较冷的。从地球上很难观察到这个碎屑盘，因为它被淹没在那一片温度较高、明亮的黄道光中。

大多数恒星周围的碎屑盘似乎相当于太阳系中的柯伊伯碎屑盘而不是黄道碎屑盘。在少数恒星中，除了那个较大且较冷的碎屑盘外，天文学家还探测到一个较小且温度较高的碎屑盘，与太阳系中的黄道碎屑盘相仿。

虽然柯伊伯碎屑盘向外延伸的范围远远超过黄道碎屑盘，而且它所含的尘埃量可能相当于后者的10倍之多，但与其它恒星周围的碎屑盘相比，它仍然是小得不足挂齿。绘架座β星碎屑盘所含的尘埃至少为太阳系的1万倍。星子互相碰撞并抛出尘埃的速率与星子数目的平方成正比，因而在其他条件相同的情况下，绘架座β星周围的星子数目必定为太阳系的100倍之多。

天文学家认为，尘埃的丰度与恒星系统的年龄有关，越年轻的恒星尘埃越多，太阳已经有45亿年的历史，但绘架座β星的年龄仅有1500万年。观测结果提示尘埃量随时间的推移而递减[见41页图示]，这可能是因为产生尘埃的星子群体数量在逐渐下降的缘故。星子的碰撞产生尘埃，而这种碰撞也使星子土崩瓦解。行星之间的引力作用可以将小行星和彗星抛射出恒星系统，也可以把它们送进中央恒星内。绘架座β星的光谱有一些时而出现时而消失的吸收谱线，天文学家断定这些谱线是当彗星掉进恒星而烧毁时所产生的。每年可能有多达200颗彗星就这样消亡了。

当太阳系年轻时肯定也充斥着无数的小行星和彗星。正如太阳系中的小行星和恒星随着时间的推移而逐渐变稀少一样，其他恒星周围的碎屑盘可能也在经历着类似的过程，最终演变成与太阳系相仿的结构。

虽然年龄的不同或许可以说明这些恒星系统和太阳系之间的某些差异，但天文学家在解读他们的观测结果时仍然必须十分谨慎。红外辐射过剩的恒星绝大多数质量都超过太阳，这可能与选择效应有关，恒星的质量越大温度就越高，因为对尘埃的加热通常就越显著，这样就使它们更容易被观测到。恒星的质量越大，它的碎屑盘在开始时可能也越大，含有的尘埃越多。现在仍然不清楚从这些恒星推断出的上述结构在多大程度上可以推广到一般的恒星，例如较热的恒星可能会更快地驱散其原始的行星形成盘，从而影响行星形成或星子进化的速率。

看不见的行星

这些恒星系统是不是既有星子也有行星呢？即使是其中最年轻的恒星，其年龄也老得足以让巨行星有充裕的时间形成。它们的碎屑盘中几乎不含气体，这意味着它们再也不能形成巨行星了，因为巨行星的成份大部分是气体。这些恒星系统要么已经打造出了巨行星，那么今后永远也不会形成巨行星。要弄清它们究竟属于哪种情况不是轻而易举的事。已知的行星群体和已知的碎屑盘群体好像是势不两立，天文学家至今都不能证实任何一个已知有行星的恒星其周围同时也有碎屑盘存在（除太阳以外）。我们至今始终没有发现碎屑盘中有行星存在，也没有发现其它行星系统中有碎屑盘的踪影，它们似乎是不共戴天。

然而，碎屑盘本身或许已经泄露了行星的存在。绘架座β星就是一例，除非该恒星周围有一颗行星在对彗星施加引力作用，否则为何彗星会源源不断地掉到恒星上是很难说得通的。此外，在那几幅比较清晰的碎屑盘图像上，天文学家们辨认出了一些大尺度结构，包括环、扭曲、斑点等，在一幅图像中还发现了一个巨大的旋涡状结构[参看左图]。在一条倾斜轨道上运动的行星可以把尘埃也拉入倾斜的轨道，从而使碎屑盘呈现扭曲的形状。行星也可以扫掉尘埃，从而形成空洞和环等结构，或者是在自己的后面拖着一团尘埃，看起来就象斑点一样。我们的地球就在黄道尘中留下了这样一串尾迹。

另一方面，这些碎屑盘中潜藏着行星的说法并没有得到有力的证明，不足以令天文学家信服。为了形成观测到的上述结构，这些行星必须离中央恒星很远，比海王星到太阳的距离还远，甚至可能远得使行星没有足够的时间形成（行星距中央恒星越远，形成行星所需要的时间就越长）。情况有可能是某些行星在距中央恒星较近的地方形成，然后又逐渐向外移动，有人曾提出海王星的情况或许就是如此。为了保持角动量守恒，这样的向外移动要求有另一颗像木星那样的大行星向内移动。然而总的说来，这第二颗行星存在的证据尚未浮出水面。现在的数据是各种解释都说得通，因此不同的研究小组对于行星有多大以及到中央恒星的距离有多远等问题堪称是各抒己见。

除了行星的引力作用外，还有其它机制也可能形成上面提到的某些结构。许多天文学家认为，所有年轻的行星系都有环：星子在不断长大并聚集成行星的过程中将破坏碎屑盘，使碰撞的机会和尘埃产生的速率增加。其它一些天文学家则提出，尘埃环可以在气体盘的边缘自发形成：在盘的边缘地带，气体压力的迅速变化使那些本来将要离开行星系的尘粒的速度放慢，从而形成一道尘埃环。

揭开这些结构的真面目已经成了天文学家的一个重要目标。2003年，我和我的同事们借助于装在哈勃太空望远镜上的ACS日冕仪观察了恒星HD141569。此前的图像已经显示这颗恒星的周围有两道环，我们的图像则显示了一些长长的旋涡状尘埃臂，很像旋涡星系中所看到的旋臂；同时，我们的图像还提示先前所观察到的环其实是旋涡的片段。HD141569有两颗伴星，我们认为在不到10万年以前，这些伴星曾从碎屑盘的附近经过，使盘受到了很多的扰动并被拉长，很可能就是这一相互作用产生了上述漩涡。其它一些研究人员则声称，是碎屑盘与伴星的反复相遇把盘弄成了今天这副模样，碎屑盘的某些特征很可能是行星以外的其它天体通过这种方式造成的。

对碎屑盘图像的解读存在着若干不确定因素，似乎是怎么说都有理，其原因是至今天文学家获得的清洗碎屑盘图像一直很稀少，每一幅图像都代表一个特例。不过Spitzer太空望远镜正在使这一局面迅速改观，该望远镜的主要目标之一是收集一大批碎屑盘图像，其中有的可以直接观测到。与IRAS卫星相仿，Spitzer望远镜也装有在远红外波段上工作的探测器，但其灵敏度比前者要高1000倍。这些新型探测器可以探测出微量的尘埃，从而获得一个更加完整的碎屑盘样本。2003年12月，喷气推进实验室的Larl R. Stapelfeldt及其同事们公布了南鱼座γ星（Fomalhaut）周围的碎屑盘的首批Spitzer图像。在70微米的波长上，碎屑盘的形状清晰可见，呈现为一个边缘朝前的环，其半径接近200天文单位。环的一侧比另一侧明亮，这可能是因为不久前发生过一次小行星碰撞，也可能是一颗看不见的行星的引力作用所造成的。在24微米的波长上，接近该恒星的地方似乎由一团暖热物质，这显然是太阳系黄道云在该恒星系中的翻版，表明南鱼座γ星可能具有某种与小行星带相仿的结构。

碎屑盘向天文学家揭示，除了太阳以外，其它恒星也有小行星和彗星，这是恒星形成过程所带来的副产物之一，此结果意味着太阳系从根本上类似于其它的恒星系。然而另一方面，迄今所探测到的碎屑盘全都比太阳系的碎屑盘大得多，即使是其中最小者所含的尘埃量也相当于太阳系的50多倍。这是因为太阳系中的行星已经把大多数星子逐出了太阳系？还是因为太阳系的碎屑盘开始时就小得出奇呢？抑或是因为观测者还没有使用灵敏度足够高的仪器，因而无法探测到真正与太阳系旗鼓相当的其它恒星系呢？

天文学家仍然有待于从各种观测资料中整合出一个详尽而连贯统一的理论，以解释行星如何在质量各异的恒星周围形成，行星又是如何随时间的推移而演化的。哈勃与Spitzer等太空望远镜以及地面天文台未来的观测结果对于回答这些问题将起决定性的作用。到那时我们或许将会得知我们的太阳系在所有潜在的行星系中究竟有多么不同凡响。

[蒲兴元/译    赵庚新/校]