星周盤：孕育行星的搖籃

在宇宙中，絕大多數天體的形成和演化所需時間極長。這些時間遠遠超出了人類的一生，因此我們無法直接觀測到絕大部分天體的形成與演化。為此，天文學家在過去一個世紀利用了大量的觀測數據，以類似人口普查的方式，來研究這些天體在不同演化時刻的狀態。然而，雖然恒星系統是星系的最小單元，但人類在1995年前只知道太陽系中存在著行星。

圖1：距離我們約130光年的恒星HR 8799周圍的四顆行星b、c、d和e，照片由詹姆斯·韋布空間望遠鏡拍攝。圖源：NASA。

直到1995年，天文學家才在離我們約50光年的類日恒星飛馬座51中，找到了一顆行星：飛馬座51b。自此，天文學家通過各種方法（視向速度法、凌星法、天體測量法、直接成像法、微引力透鏡法等）探尋太陽系外的行星（即系外行星），而其探明數隨著時間幾乎呈指數級別增長。目前，人類已經確認了六千余顆系外行星的存在，并找到了熱木星、超級地球、亞海王星等現在在太陽系中并不存在的天體。這些系外行星的存在及它們的多樣性，已經有效地革新了我們對行星形成和演化的認知。

盡管人類已知道了六千余顆系外行星，我們對行星系統的演化仍是管中窺豹。具體來說，絕大多數系外行星都存在于年齡超過10億年的中年恒星周圍（即成熟行星），而僅有兩個年齡不足1千萬年的年輕恒星PDS 70及WISPIT 2周圍存在著四顆正在形成的行星（即原行星，見圖2）。相比人類對恒星及星系等的研究，成熟行星數量與原行星數量的巨大差異正是系外行星研究的不足之處——天文學家亟需探明處于不同演化階段的系外行星，從而完善對行星形成與演化的了解。

圖2：距離我們約440光年的年輕恒星WISPIT 2周圍的兩顆原行星WISPIT 2 b和WISPIT 2c及星周盤。兩個原行星均在星周盤中開鑿出了溝壑。在2026年3月，天文學家不僅確認了WISPIT 2 c的存在，并在其紅外光譜中確認了大氣中的一氧化碳。圖源：ESO。

星周盤的子結構：行星存在的證據

在過去十年中，隨著大型地面望遠鏡及先進儀器的啟用，人類已在一百多顆恒星周圍找到盤狀結構（即星周盤），見圖3。目前認為，由于星周盤中含有塵埃和氣體，它們正是孕育行星的搖籃。我們雖然僅探明了四顆原行星的存在，但原行星可通過引力與星周盤相互作用，從而在星周盤上造成了大量豐富的子結構，例如圖3中的溝壑與旋臂。因此，通過研究子結構可揭示原行星存在的證據和位置，從而指導人類對這些行星進行靶向拍照。

圖3：不同恒星周圍的星周盤，盤中存在豐富的溝壑、旋臂等子結構。這些子結構可能是由尚未被探明的行星造成的。在可見光和近紅外波段，由于星周盤亮度不到恒星的萬分之一，天文學家通過使用望遠鏡的星冕儀進行人造“星食”來遮蓋恒星，從而為星周盤及系外行星拍照。圖中白色橫線為50倍日地距離，灰色中心為星冕儀遮擋區域。圖源：ASPBOOKS。

星周盤多時刻圖：動態理解行星形成

除了探尋原行星，通過研究星周盤的子結構，有助于我們理解星周盤內部的物理機制。在盤內部，尺寸在百公里級別的星子的撞擊，可增大亦可摧毀處于形成階段的行星核心。在2026年初，利用多時刻的星周盤照片，天文學家使用哈勃空間望遠鏡在恒星北落師門（Fomalhaut）附近，首次見證了星子撞擊事件，相關研究成果發表在《科學》雜志，見圖4。

北落師門的星子曾被當作一個奇異的行星。在北落師門的星周盤中，天文學家于2008年從哈勃空間望遠鏡的照片中找到了一個小亮點兒，并認定其為行星，即北落師門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，天文學家確認了北落師門b已消失，但在其他位置找到了一個新的小亮點兒。這表明：這兩個小亮點兒均不是行星，而是星子撞擊的證據。天文學家因此將原本意味著行星的名稱北落師門b改名為北落師門cs1（縮寫自英文circumstellar source 1，即第一個星周源），并將新的小亮點兒命名為北落師門cs2。根據北落師門cs1和cs2的約十年的出現間隔，天文學家探索到了星周盤系統中星子撞擊的頻率，用于動態地理解行星系統的形成與演化。

圖4：北落師門的星周盤中的兩次星子撞擊事件（cs1及cs2）。天文學家通過研究星子撞擊事件的間隔，來動態理解行星形成系統中的星子撞擊頻率，從而完善我們對行星系統的形成與演化的認知。圖源：SCIENCE。

行星形成：立足中國，放眼世界

1992年，我國政府制定了載人航天工程的“三步走”發展戰略。2022年末，我國全面建成了我們的國家級太空實驗室——中國空間站。對于天文學家來說，我國載人航天工程規劃了一個口徑2米的大型空間天文望遠鏡用于天文學研究——中國空間站工程巡天空間望遠鏡（簡稱CSST）。該望遠鏡發射后計劃與我國的空間站共軌飛行，從而可以讓我們對其進行定期的維護與升級。

針對行星系統的研究，CSST上安裝了一個用于理解行星形成與演化的照相機——冷行星成像星冕儀。天文學家將使用此星冕儀，對數百顆恒星逐一遮擋它們的中心區域來產生人造“星食”，從而來為其星周環境進行拍照，來擴充已有的三四十顆系外行星和一百多個行星盤的照片。與哈勃相應的星冕儀相比，該儀器的靈敏度提升了至少一千倍，故而會有效地幫助天文學家探測到更多更暗的行星及星周盤。此外，我國的“天鄰”計劃預計在2035年左右發射一個6米級的空間望遠鏡，從而有效地尋找太陽系外的生命信號。

針對系外行星和星周盤系統，我國的CSST與“天鄰”將與世界上已有的大型設備及儀器（哈勃空間望遠鏡、詹姆斯·韋布空間望遠鏡、甚大望遠鏡、阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列等）聯袂，并與世界上未來的大型望遠鏡（羅曼空間望遠鏡、極大望遠鏡、宜居世界天文臺等）進行聯合觀測。通過探明不同演化階段的行星系統，我們可以對它們進行“人口普查”，從而一起翻開人類對行星系統形成與演化認知的新篇章。

來源：中國科學院國家天文臺

編輯：夜凌Ryelin

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