织女星的光滑星盘让天文学家感到困惑 挑战行星形成理论

自从人类有了意识，观天者就对"流浪星"感到神秘莫测。 它们是环绕太阳的五颗可见行星。 人们认为它们会影响地球上的事务，并通过伪科学占星术预测未来。 但真正的天文学家却问：行星从何而来？

[左图] 哈勃太空望远镜拍摄的夏季恒星织女星周围 1000 亿英里宽的尘埃盘的假色视图。 哈勃从尘埃中探测到了反射光，这些尘埃的大小和烟雾颗粒差不多，主要分布在圆盘外围的光晕中。 圆盘非常光滑，没有嵌入大行星的迹象。 中心的黑点挡住了炙热年轻恒星的亮光。[右]詹姆斯-韦伯太空望远镜在 230 亿英里外解析了圆盘光环中温暖尘埃的光芒。 外盘（类似于太阳系的柯伊伯带）从 70 亿英里延伸到 150 亿英里。 内盘从外盘的内边缘一直延伸到接近恒星的位置。 从大约 37 亿英里到 72 亿英里之间，内盘的表面亮度明显下降。 中心的黑点是由于缺乏饱和数据造成的。Credit: NASA， ESA， CSA， STScI， S. Wolff (University of Arizona)， K. Su (University of Arizona)， A. Gáspár (University of Arizona).

18世纪末，伊曼纽尔-康德（Immanuel Kant）和皮埃尔-西蒙-拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）假设，行星是由环绕新生太阳的尘埃和气体盘凝聚而成的。 这一假设的依据是行星的轨道是共面的，它们都朝着同一个方向运动，就像一张旋转的留声机唱片。 从本质上说，它们的轨道是早已消失的圆盘的残留骨架。 但是，天文学家们要等上 200 年，才能收集到第一个支持康德和拉普拉斯猜想的望远镜证据。 通过红外天文卫星（IRAS），他们发现在夏季天琴座明亮的蓝色恒星织女星周围的温暖尘埃发出了令人费解的过量红外光。 这被解释为行星形成物质的圆盘。 利用红外天文望远镜进行的观测发现，年轻恒星周围经常出现这种星盘，织女星是第一条线索。

现在，天文学家团队利用哈勃和詹姆斯-韦伯太空望远镜的综合能力，重新审视了传说中的织女星盘。 哈勃看到了烟雾颗粒大小的碎片，而韦伯则追踪到了大约沙粒大小的颗粒。 最令人惊讶的是，没有明显的证据表明有一颗或多颗大行星像雪地拖拉机一样穿过星盘。 这种情况在其他年轻恒星周围很常见。 然而，织女星盘看起来几乎像薄饼一样光滑，没有行星的迹象。 织女星迫使天文学家重新思考其他恒星周围行星系统的范围和多样性。 在其他恒星系统周围，星盘结构显然是不同的。 哈勃和韦伯向我们展示了星空中行星构造的意想不到的多样性。

哈勃太空望远镜拍摄的夏季恒星织女星周围 1000 亿英里宽的尘埃盘的假彩照。 哈勃从尘埃中探测到了反射光，这些尘埃的大小和烟雾颗粒差不多，主要分布在圆盘外围的光晕中。 星盘非常光滑，没有嵌入大行星的迹象。 中心的黑点挡住了炙热年轻恒星的亮光。 资料来源：NASA、ESA、STScI、S. Wolff（亚利桑那大学）

在根据卡尔-萨根 1985 年的小说改编的 1997 年电影《接触》中，主角科学家埃莉-阿洛维（由演员朱迪-福斯特饰演）乘坐外星人建造的虫洞前往织女星。 她出现在环绕着这颗恒星的暴风雪碎片中--但却看不到明显的行星。

看来，电影制作者是对的。

图森亚利桑那大学的一个天文学家小组利用美国国家航空航天局（NASA）的哈勃（Hubble）和詹姆斯-韦伯（James Webb）太空望远镜，对环绕织女星的直径近1000亿英里的碎片盘进行了前所未有的深入观察。"通过哈勃和韦伯望远镜，你可以非常清晰地看到织女星。 这是一个神秘的系统，因为它不同于我们观察过的其他周星盘，"研究小组成员、亚利桑那大学的安德拉什-加斯帕尔（Andras Gáspár）说。"织女星盘非常光滑，光滑得令人发指。"

令研究小组最惊讶的是，没有明显的证据表明有一颗或多颗大行星像雪地拖拉机一样犁过面盘。亚利桑那大学的凯特-苏（Kate Su）是介绍韦伯发现的论文的第一作者，她说："这让我们重新思考系外行星系统的范围和多样性。"

韦伯发现，在这颗比太阳亮40倍的蓝白色恒星周围，有一个沙粒大小的圆盘在旋转，发出红外光。 哈勃捕捉到了这个圆盘的外部光环，其中的微粒还没有烟雾大，正在反射星光。

织女星碎片盘中尘埃的分布是分层的，因为星光的压力将较小的颗粒推出的速度快于较大的颗粒。 亚利桑那大学团队的斯凯勒-沃尔夫（Schuyler Wolff）说："不同类型的物理学会将不同大小的颗粒定位在不同的位置，"他是介绍哈勃发现的论文的第一作者。"我们看到尘埃粒子的大小被分门别类，这一事实可以帮助我们了解环星盘的基本动态。"

这是詹姆斯-韦伯太空望远镜拍摄的织女星周围1000亿英里宽的尘埃盘。 这个圆盘非常平滑，没有行星形成的可疑证据。 韦伯望远镜在230亿英里外的圆盘光环中分辨出了温暖尘埃的光芒。 外盘（类似于太阳系的柯伊伯带）从 70 亿英里延伸到 150 亿英里。 内盘从外盘的内边缘一直延伸到接近恒星的位置。 从大约 37 亿英里到 72 亿英里之间，内盘的表面亮度明显下降。 中心的黑点是由于缺乏饱和数据造成的。 资料来源：NASA、ESA、CSA、STScI、K. Su（亚利桑那大学）、A. Gáspár（亚利桑那大学）

织女星圆盘确实有一个细微的缺口，距离恒星大约 60 AU（天文单位）（是海王星距离太阳的两倍），但除此之外，它一直都非常平滑，直到消失在恒星的强光中。 研究人员说，这表明在我们的太阳系中，至少没有质量达到海王星的行星在大轨道上运行。

研究人员说："我们正在详细了解周星盘的多样性，以及这种多样性是如何与底层行星系统联系在一起的。 我们发现了很多关于行星系统的信息--即使我们无法看到可能隐藏的行星。行星形成过程中仍有很多未知因素，我认为这些对织女星的新观测将有助于制约行星形成的模型。"

新形成的恒星会从尘埃和气体盘中吸积物质，而尘埃和气体盘是恒星形成的云的扁平残余物。 20 世纪 90 年代中期，哈勃在许多新形成的恒星周围发现了星盘。 这些星盘可能是行星形成、迁移，有时是毁灭的场所。 像织女星这样完全成熟的恒星，其尘埃盘因轨道上的小行星和彗星蒸发产生的碎片不断发生"碰碰车"一样的碰撞而变得更加丰富。 这些原始天体可以存活到织女星目前 4.5 亿年的年龄（太阳的年龄大约是织女星的 10 倍）。 太阳系内的尘埃（可以看到黄道十二宫的光芒）也是由小天体以每秒约 10 吨的速度喷射尘埃来补充的。 这些尘埃被行星推来推去。 这为探测其他恒星周围的行星提供了一种策略，无需直接看到它们--只需目睹它们对尘埃的影响即可。

沃尔夫说："织女星仍然不同寻常。织女星系统的结构与我们的太阳系明显不同，在我们的太阳系中，像木星和土星这样的巨型行星正在阻止尘埃像织女星那样扩散。"

作为比较，附近有一颗恒星 Fomalhaut，它的距离、年龄和温度与织女星差不多。 但其星周结构与织女星大不相同，它有三个嵌套的碎片带。

行星被认为是Fomalhaut周围的牧羊体，它们在引力作用下将尘埃束缚成环，不过目前还没有行星被确认。研究小组成员、亚利桑那大学的乔治-里克（George Rieke）说："既然织女星和福马尔豪特星的物理结构相似，为什么福马尔豪特星似乎能够形成行星，而织女星却不能呢？区别在哪里？ 是星周环境还是恒星本身造成了这种差异？ 令人费解的是，同样的物理学原理在两者中都起着作用。"

织女星位于夏季的天琴座，是北天最亮的恒星之一。 织女星之所以具有传奇色彩，是因为它首次提供了围绕恒星运行的物质--推测是制造行星的材料--可能是生命栖息地的证据。 这是伊曼纽尔-康德在 1775 年首次提出的假设。 但在 200 多年后的 1984 年才收集到第一个观测证据。 美国国家航空航天局的红外天文卫星（IRAS）探测到了来自温暖尘埃的令人费解的过量红外光。 它被解释为一个尘埃壳或尘埃盘，从恒星延伸到冥王星轨道半径的两倍。

2005年，美国宇航局的红外线斯皮策太空望远镜绘制出了织女星周围的尘埃环。 利用亚毫米波望远镜（包括位于夏威夷莫纳克亚山上的加州理工学院亚毫米波天文台、位于智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）和欧空局（European Space Agency）的赫歇尔太空望远镜）进行的观测进一步证实了这一点，但这些望远镜都无法看到太多细节。"Rieke说："哈勃望远镜和韦伯望远镜的共同观测提供了更多的细节，它们告诉了我们一些关于织女星系统的全新信息，而这些信息之前无人知晓。

亚利桑那研究小组的两篇论文（Wolff等人和Su等人）将发表在《天体物理学杂志》上。

编译自/ScitechDaily