别家月亮诞生记

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作者：陈一萱

校对：牧夫天文校对组

后期：库特莉亚芙卡 李子琦 胡永葳

这张照片源自阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)，它近距离展示了PDS 70c周围正在形成卫星的环行星盘。系外行星PDS 70c是一颗年轻的类木气体巨星，距离地球约400光年。图片显示，这颗行星和它的圆盘位于图片右侧一个更大的环行星盘内，足以形成质量3倍于月球的卫星。【Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/BENISTY等。】

上图是人类拍摄的第一张在行星周围形成卫星的图片。

这张彩色图片圈出的是暗淡的橙色矮星PDS 70，黯淡到肉眼并不可见。图片众多星体中只有右上方明亮的蓝色恒星——半人马座χ，星等约为+5等——肉眼可见。【Credit: ESO/DIGITIZED SKY SURVEY 2; ACKNOWLEDGEMENT: DAVIDE DE MARTIN; ANNOTATION: E. SIEGEL】

该天体系统的中心恒星PDS 70位于距地球约400光年的半人马座边缘。

欧南台甚大望远镜上的SPHERE仪器揭示了一颗正在年轻矮星PDS 70周围形成的行星。它在2018年被公布，是科学家发现的第一颗正在形成的行星。图像中心右侧的亮点就是这颗行星，中央恒星眩目光线被星冕仪遮挡。在稍远的地方还有第二颗行星PDS 70c。【Credit: ESO/A. MÜLLER ET AL.】

科学家发现了两颗行星PDS 70b和70c。

PDS 70的合成图像。天文学家将ALMA的新数据与VLT的早期观测数据进行比较，确定这颗名为PDS 70c的年轻行星拥有一个环行星盘。理论上，这一特征是行星正在形成卫星的重要证据。最近更高分辨率的观测结果证实了这一点。【Credit: ALMA (ESO/NOAJ/NRAO) A. ISELLA; ESO】

科学家首次观测到PDS 70c拥有一个环行星盘。

PDS 70c的广角照片(左)和特写照(右)。在这个恒星系统中发现的另外一个行星PDS 70b在这张图片中不可见。正因为这两颗行星清除了运行轨道附近的物质，自身体积不断增大，而两者之间形成空腔。在这个过程中，PDS 70c获得了自己的环行星盘，为行星的演化和卫星的形成创造了有利条件。【Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/BENISTY ET AL.】

理论上，行星获得卫星的方式通常有三种。

整个土星主环——从内层的D环到外层的F环——可能是太阳系内较为年轻的天体结构。甚至几亿年前，在恐龙出现之前，这些环可能根本不存在。然而再过3亿年，它们可能就完全消失了。【Credit: NASA/JPL】

第一种：大冲击：导致岩石类行星周围形成碎片云团。

图片描绘了“索内斯蒂亚”云团可能的样子：一次高能量、大角动量的撞击后，一个膨胀的环围绕着一颗行星。现在人们认为，我们的月球是这样形成的。【Credit: SARAH STEWART/UC DAVIS/NASA】

这些碎片接着合并为卫星：就像地球、火星和冥王星的卫星一样。

虽然我们今天只看到火星拥有两个卫星，但实际上，在经历一次碰撞之后，火星的环行星盘曾经短暂地拥有三个卫星，但最终其中只有两个幸存下来。在2016年的一篇论文中曾提出这个理论，这是目前火星卫星形成的主要理论。【Credit: LABEX UNIVEARTHS / UNIVERSITÉ PARIS DIDEROT】

第二种：引力捕获：解释了土星的菲比卫星（土卫九）和海王星海卫一的形成。

海卫一(红色)的轨道与与海王星赤道面相比倾斜157°，与海王星黄道面相比倾斜130°。这是海卫一被捕获的最有力证据。【Credit: WIKIMEDIA COMMONS USER ZYJACKLIN; NASA / JPL / USGS】

第三种：宇宙中大多数卫星可能来源自环行星盘。

在对原行星盘形成过程的模拟中，不对称的物质团块首先收缩，然后开始旋转。这个“平面”是行星形成的地方。而在更小的尺度上，该过程一直重复，形成环行星盘，最终形成卫星系统。【Credit: STSCL OPO — C BURROWS AND J. KRIST (STSCL), K. STABELFELDT (JPL) AND NASA】

恒星和行星由一朵巨大的气体云团坍缩形成，首先形成了原恒星。

哈勃望远镜在猎户座星云拍摄的30个原行星盘。虽然哈勃能够出色地在光学上识别这些原行星盘的外部特征，但即使是在太空中，避免了大气层的干扰，它也无法探测这些圆盘的内部特征。这些年轻的恒星中有许多不久前才脱离原恒星阶段。像这样的恒星形成区域经常会同时产生成千上万的新恒星。【Credit: NASA/ESA AND L. RICCI (ESO)】

物质在原恒星周围迅速聚合，形成一个原行星盘。

此图是被原行星盘环绕的年轻恒星想象图，核聚变在其核心首次被点燃。目前，我们观测到过原行星盘，但它们都尚未形成恒星。【Credit: ESO / L. CALCADA】

红外线和射电天文台已经帮助我们揭开了原行星盘的神秘面纱。

图中是由高分辨率下圆盘子结构合作项目(DSHARP)捕捉的20个新形成的原行星盘，展示了新形成的行星系统的样子。圆盘上的缝隙很可能表明有新形成的行星，而最大的缝隙可能表明有较大的原行星。【Credit: S. M. ANDREWS ET AL. AND THE DSHARP COLLABORATION, ARXIV:1812.04040】

每一个空隙都预示着那里有一颗正在捕捉周围物质的行星。

HD 163296附近原行星盘和喷流的射电和可见光合成图像。ALMA在射电波段揭示了原行星盘和其特征，同时，ESO的甚大望远镜上的MUSE仪器揭示了其光学波段上的特征。它们互相垂直。【Credit: VISIBLE: VLT/MUSE (ESO); RADIO: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)】

然而，最大的行星会通过吸积形成它们自己的圆盘，从而形成卫星。

年轻的类太阳恒星长蛇座TW有一个正对我们的原行星盘。该行星盘中数量庞大的间隙表明有正在形成的行星。然而，在最里面的区域，有一个距离恒星大约为日地距离的缺口。可能有物质涌入原行星，可能预示着（但不是绝对确凿的证据）一个环行星盘的产生。【Credit: S. ANDREWS (HARVARD-SMITHSONIAN CFA), ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)】

这一现象解释了为什么木星卫星与低质量的系外行星系统非常类似。

我们在红矮星系统周围发现的行星，比如TRAPPIST-1，与我们太阳周围的行星相比，更像木星的卫星系统。在很长一段时间里，主流的观点是，木星的卫星起源于最初的环行星盘，这一观点最近被对原恒星系统PDS 70的观测所证实。

只有PDS 70c有环行星盘，下一步将测量内部气体的运动。

图中是木星及其环系统、波段和其他红外热敏感特征。我们观察到的所有东西，木星上的带、木星环和卫星，都在同一个平面上运行。这表明它们很可能是在同一时间形成的：从最初环绕木星的环行星盘开始，一直追溯到太阳系形成的那段时期。【Credit: TROCCHE100 AT THE ITALIAN WIKIPEDIA】

或许，很快我们就能明白正在形成的卫星系统的细节了。

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责任编辑：毛明远

『天文湿刻』 牧夫出品

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图中显示了土星一些最大卫星的相对大小。

Image credit: NASA/JPL/David Seal

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