星周盘：孕育行星的摇篮

在宇宙中，绝大多数天体的形成和演化所需时间极长。这些时间远远超出了人类的一生，因此我们无法直接观测到绝大部分天体的形成与演化。为此，天文学家在过去一个世纪利用了大量的观测数据，以类似人口普查的方式，来研究这些天体在不同演化时刻的状态。然而，虽然恒星系统是星系的最小单元，但人类在1995年前只知道太阳系中存在着行星。

图1：距离我们约130光年的恒星HR 8799周围的四颗行星b、c、d和e，照片由詹姆斯·韦布空间望远镜拍摄。图源：NASA。

直到1995年，天文学家才在离我们约50光年的类日恒星飞马座51中，找到了一颗行星：飞马座51b。自此，天文学家通过各种方法（视向速度法、凌星法、天体测量法、直接成像法、微引力透镜法等）探寻太阳系外的行星（即系外行星），而其探明数随着时间几乎呈指数级别增长。目前，人类已经确认了六千余颗系外行星的存在，并找到了热木星、超级地球、亚海王星等现在在太阳系中并不存在的天体。这些系外行星的存在及它们的多样性，已经有效地革新了我们对行星形成和演化的认知。

尽管人类已知道了六千余颗系外行星，我们对行星系统的演化仍是管中窥豹。具体来说，绝大多数系外行星都存在于年龄超过10亿年的中年恒星周围（即成熟行星），而仅有两个年龄不足1千万年的年轻恒星PDS 70及WISPIT 2周围存在着四颗正在形成的行星（即原行星，见图2）。相比人类对恒星及星系等的研究，成熟行星数量与原行星数量的巨大差异正是系外行星研究的不足之处——天文学家亟需探明处于不同演化阶段的系外行星，从而完善对行星形成与演化的了解。

图2：距离我们约440光年的年轻恒星WISPIT 2周围的两颗原行星WISPIT 2 b和WISPIT 2c及星周盘。两个原行星均在星周盘中开凿出了沟壑。在2026年3月，天文学家不仅确认了WISPIT 2 c的存在，并在其红外光谱中确认了大气中的一氧化碳。图源：ESO。

星周盘的子结构：行星存在的证据

在过去十年中，随着大型地面望远镜及先进仪器的启用，人类已在一百多颗恒星周围找到盘状结构（即星周盘），见图3。目前认为，由于星周盘中含有尘埃和气体，它们正是孕育行星的摇篮。我们虽然仅探明了四颗原行星的存在，但原行星可通过引力与星周盘相互作用，从而在星周盘上造成了大量丰富的子结构，例如图3中的沟壑与旋臂。因此，通过研究子结构可揭示原行星存在的证据和位置，从而指导人类对这些行星进行靶向拍照。

图3：不同恒星周围的星周盘，盘中存在丰富的沟壑、旋臂等子结构。这些子结构可能是由尚未被探明的行星造成的。在可见光和近红外波段，由于星周盘亮度不到恒星的万分之一，天文学家通过使用望远镜的星冕仪进行人造“星食”来遮盖恒星，从而为星周盘及系外行星拍照。图中白色横线为50倍日地距离，灰色中心为星冕仪遮挡区域。图源：ASPBOOKS。

星周盘多时刻图：动态理解行星形成

除了探寻原行星，通过研究星周盘的子结构，有助于我们理解星周盘内部的物理机制。在盘内部，尺寸在百公里级别的星子的撞击，可增大亦可摧毁处于形成阶段的行星核心。在2026年初，利用多时刻的星周盘照片，天文学家使用哈勃空间望远镜在恒星北落师门（Fomalhaut）附近，首次见证了星子撞击事件，相关研究成果发表在《科学》杂志，见图4。

北落师门的星子曾被当作一个奇异的行星。在北落师门的星周盘中，天文学家于2008年从哈勃空间望远镜的照片中找到了一个小亮点儿，并认定其为行星，即北落师门b。然而，此行星在2014年的哈勃照片中消失。在2023年的哈勃照片中，天文学家确认了北落师门b已消失，但在其他位置找到了一个新的小亮点儿。这表明：这两个小亮点儿均不是行星，而是星子撞击的证据。天文学家因此将原本意味着行星的名称北落师门b改名为北落师门cs1（缩写自英文circumstellar source 1，即第一个星周源），并将新的小亮点儿命名为北落师门cs2。根据北落师门cs1和cs2的约十年的出现间隔，天文学家探索到了星周盘系统中星子撞击的频率，用于动态地理解行星系统的形成与演化。

图4：北落师门的星周盘中的两次星子撞击事件（cs1及cs2）。天文学家通过研究星子撞击事件的间隔，来动态理解行星形成系统中的星子撞击频率，从而完善我们对行星系统的形成与演化的认知。图源：SCIENCE。

行星形成：立足中国，放眼世界

1992年，我国政府制定了载人航天工程的“三步走”发展战略。2022年末，我国全面建成了我们的国家级太空实验室——中国空间站。对于天文学家来说，我国载人航天工程规划了一个口径2米的大型空间天文望远镜用于天文学研究——中国空间站工程巡天空间望远镜（简称CSST）。该望远镜发射后计划与我国的空间站共轨飞行，从而可以让我们对其进行定期的维护与升级。

针对行星系统的研究，CSST上安装了一个用于理解行星形成与演化的照相机——冷行星成像星冕仪。天文学家将使用此星冕仪，对数百颗恒星逐一遮挡它们的中心区域来产生人造“星食”，从而来为其星周环境进行拍照，来扩充已有的三四十颗系外行星和一百多个行星盘的照片。与哈勃相应的星冕仪相比，该仪器的灵敏度提升了至少一千倍，故而会有效地帮助天文学家探测到更多更暗的行星及星周盘。此外，我国的“天邻”计划预计在2035年左右发射一个6米级的空间望远镜，从而有效地寻找太阳系外的生命信号。

针对系外行星和星周盘系统，我国的CSST与“天邻”将与世界上已有的大型设备及仪器（哈勃空间望远镜、詹姆斯·韦布空间望远镜、甚大望远镜、阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列等）联袂，并与世界上未来的大型望远镜（罗曼空间望远镜、极大望远镜、宜居世界天文台等）进行联合观测。通过探明不同演化阶段的行星系统，我们可以对它们进行“人口普查”，从而一起翻开人类对行星系统形成与演化认知的新篇章。

来源：中国科学院国家天文台

编辑：夜凌Ryelin

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号