天聞?lì)l道

生活在這個(gè)時(shí)代，我們很幸運(yùn)。因?yàn)榻?jīng)?？梢院腿澜绲奶煳膶W(xué)家一起見(jiàn)證宇宙深處各種前所未見(jiàn)的天文奇觀，比如首次清楚地看到可以孕育系外衛(wèi)星的行星周盤(pán)——7月22日，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，天文學(xué)家在一顆名為PDS 70c的遙遠(yuǎn)行星周?chē)l(fā)現(xiàn)了一個(gè)行星周盤(pán)，這顆年輕的系外行星可能正在形成它的衛(wèi)星。相關(guān)結(jié)果發(fā)表于《天體物理學(xué)雜志通訊》。

系外衛(wèi)星或許很普遍

400多年前，意大利宇宙哲學(xué)理論家布魯諾提出：恒星是距離更遠(yuǎn)的太陽(yáng)；它們周?chē)灿凶约旱男行牵@些行星還可能孕育著生命。100多年前，天文學(xué)家通過(guò)觀測(cè)太陽(yáng)和恒星的距離與光譜證實(shí)了太陽(yáng)就是一顆恒星。

1995年，伴隨著首顆類(lèi)太陽(yáng)恒星周?chē)行秋w馬座51b的發(fā)現(xiàn)，布魯諾關(guān)于系外行星的猜想也被證實(shí)。目前已知的系外行星有4000多顆。通過(guò)估算，銀河系中的系外行星可能和恒星一樣的普遍。

發(fā)現(xiàn)了首個(gè)系外行星后，大家自然有了一個(gè)新的疑問(wèn)：系外衛(wèi)星是否存在？所謂系外衛(wèi)星，就是圍繞太陽(yáng)系外行星運(yùn)行的衛(wèi)星。其實(shí)衛(wèi)星在太陽(yáng)系內(nèi)很常見(jiàn)，太陽(yáng)系的八大行星中，除了水星和金星，其他6顆都有衛(wèi)星，而且總數(shù)有200余顆。通過(guò)與太陽(yáng)系的情況做類(lèi)比，我們有理由推測(cè)：系外衛(wèi)星應(yīng)該是存在的，而且可能和系外行星一樣普遍。然而想要從科學(xué)上證明這個(gè)猜想?yún)s并不容易，主要原因在于天文觀測(cè)的限制。銀河系中至少有幾千億顆系外行星，但是我們目前只發(fā)現(xiàn)了其中的億分之一?？梢?jiàn)要發(fā)現(xiàn)系外衛(wèi)星絕非易事。

探測(cè)系外衛(wèi)星的方法與探測(cè)系外行星的方法類(lèi)似。目前科學(xué)家使用微引力透鏡、凌星計(jì)時(shí)、凌星法等間接探測(cè)方法發(fā)現(xiàn)的系外衛(wèi)星候選體總數(shù)不足20顆。這些都還只是疑似的系外衛(wèi)星，目前還沒(méi)有被確認(rèn)。我們也可以使用直接成像的方法探測(cè)系外衛(wèi)星。但是因?yàn)橄低庑l(wèi)星太小又不發(fā)光，其寄主行星與寄主恒星的光度差別巨大。因此這種方法目前難以實(shí)現(xiàn)。以后使用今年即將發(fā)射的韋伯太空望遠(yuǎn)鏡或許可以實(shí)現(xiàn)。

見(jiàn)證系外“月亮”的誕生

我們目前雖然難以觀測(cè)已形成的系外衛(wèi)星，但是可以通過(guò)最先進(jìn)的毫米波望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到系外衛(wèi)星的形成環(huán)境。近日，一個(gè)由國(guó)際天文學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)使用位于智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列望遠(yuǎn)鏡（ALMA）第一次清楚地觀測(cè)到了一個(gè)可以孕育系外衛(wèi)星的行星周盤(pán)（行星周?chē)蓺怏w和塵埃組成的盤(pán)）。事實(shí)上，兩年前就有另一個(gè)國(guó)際天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)也利用ALMA發(fā)現(xiàn)了這個(gè)“可疑”的行星周盤(pán)，不過(guò)那時(shí)的觀測(cè)精度較低，不能把這個(gè)行星周盤(pán)與周?chē)沫h(huán)境清晰地區(qū)分開(kāi)，也就不能確認(rèn)它的存在；這次的觀測(cè)精度可以清楚地將這個(gè)行星周盤(pán)與周?chē)沫h(huán)境分開(kāi)，并且可以限定其大小：這個(gè)行星周盤(pán)半徑約為1au（日地平均距離），其質(zhì)量足夠形成3顆月球大小的衛(wèi)星。

這個(gè)行星周盤(pán)位于一顆年輕的氣態(tài)巨行星PDS 70c的周?chē)DS 70c的寄主恒星PDS 70位于人馬座，距離太陽(yáng)約367光年。PDS 70的質(zhì)量約為太陽(yáng)的80%，年齡只有大約540萬(wàn)年，差不多是太陽(yáng)年齡的千分之一。PDS 70的周?chē)幸粋€(gè)半徑達(dá)100au的氣體塵埃盤(pán)（星周盤(pán)）。天文學(xué)家分別于2018年和2019年發(fā)現(xiàn)PDS 70周?chē)袃深w形成中的行星（原行星）：PDS 70b和PDS 70c。PDS 70b距離PDS 70大約22au，這與天王星到太陽(yáng)的距離相仿。PDS 70c距離PDS 70大約34au，與海王星到太陽(yáng)的距離相仿。這兩顆原行星的質(zhì)量大約在木星質(zhì)量的1—10倍之間。目前還在非常緩慢地吸積周?chē)镔|(zhì)。

目前已知的形成中的系外行星只有PDS 70b和PDS 70c（其他4000多顆已知的系外行星都是成年行星）。因此這些觀測(cè)結(jié)果不但可以讓我們研究衛(wèi)星的形成，還可以用來(lái)測(cè)試行星的形成理論。恒星形成于一個(gè)巨大的氣體塵埃團(tuán)。塵埃團(tuán)最初微小的轉(zhuǎn)動(dòng)在收縮形成原恒星的過(guò)程中會(huì)被放大。形成恒星后多余的物質(zhì)會(huì)再形成一個(gè)圍繞恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的星周盤(pán)。行星形成于恒星周盤(pán)。原行星通過(guò)吸積星周盤(pán)內(nèi)的物質(zhì)來(lái)成長(zhǎng)，并通過(guò)引力逐漸清理其所在軌道內(nèi)的氣體塵埃。在這個(gè)過(guò)程中，如果一顆行星離其主星足夠遠(yuǎn)，它周?chē)臍怏w塵埃受到恒星的影響較小，它的周?chē)陀锌赡芫奂阶銐虻奈镔|(zhì)形成一個(gè)行星周盤(pán)。同時(shí)這個(gè)行星周盤(pán)內(nèi)的氣體和塵埃也可能通過(guò)頻繁的碰撞逐漸聚集形成衛(wèi)星。不過(guò)目前天文學(xué)家還沒(méi)有完全弄清楚行星和衛(wèi)星形成過(guò)程中的具體細(xì)節(jié)。要進(jìn)一步研究這些細(xì)節(jié)，就是天文學(xué)進(jìn)步的動(dòng)力。

將來(lái)隨著6.5米韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）以及歐洲39米極大望遠(yuǎn)鏡（ELT）等新一代地面巨型望遠(yuǎn)鏡的陸續(xù)投入使用，我們也許有機(jī)會(huì)探測(cè)到系外生命存在的生物證據(jù)，從而驗(yàn)證布魯諾400多年前關(guān)于系外生命的猜想。

（作者系南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院副教授）