穿过宇宙尘埃的窥探

2003年8月25日，耗资7亿美元的“斯皮策”太空望远镜搭乘火箭升空了。我们都知道，在地球外太空，已经有了“哈勃”望远镜，那么人们为什么还要再添一个太空望远镜呢？原来，这个“斯皮策”望远镜所观察太空的方式比较特别。它专门用于接收穿透力强的红外线，从而可以观测厚密星际云团中恒星和行星的形成过程。也就是说，宇宙尘埃是遮挡不住它窥探的目光。

　　

　　神奇的“红外”视线

　　

　　用红外线来观测太空这个想法很早就有了，大约是在20世纪70年代末期就有人提出了，最初的理念是在宇宙飞船上建立一座红外观测台。历经数十年，“斯皮策”终于上天了。它的任务就是：通过观测红外线而加深对宇宙的了解。红外线很适于研究那些不像太阳和其他恒星那样烈焰熊熊的物体，因为它们基本不发出可见光，却释放大量红外线。更重要的是，红外线能有效穿透尘云，因此我们能对太空中的隐蔽地区一览无余。

　　利用红外线，“斯皮策”太空望远镜开辟了更广阔的视野。没有辜负人们的期望，运行仅仅数月之后，“斯皮策”望远镜就超出了设计者们最乐观的预期。它观察到了新生行星的明显证据，并且向人们展示出，行星形成过程之怪异，其多样性所显示的千奇百怪程度远远超乎人们之前的想象。

　　地球上的人们最熟悉的星系当然是太阳系。人们研究的最多的星系也是太阳系。这种单一的研究目标显得非常单调。而借助“斯皮策”太空望远镜，科学家们发现了新的“太阳系”。他们发现，在一颗类似太阳的恒星周围可能有类地行星正在形成。

　　

　　新的“太阳”正在形成

　　

　　天文学家通过观察认为，这颗名为“HD12039”的恒星距地球大约137亿光年，年龄约为3000万年，大致相当于我们的太阳在其形成了约80%、我们的地月系统刚刚诞生时的状态。“斯皮策”望远镜的红外波段观测能力更是派上了用场，天文学家估算出了这颗恒星的其他指标：它的表面温度大约是3000至4000摄氏度，比太阳表面温度略低；亮度比太阳高8%；而质量比太阳大2%；这些数据都与年轻时的太阳相似。

　　这颗恒星与太阳系最相似的地方在于，它拥有一个以碎石为主的环带。这个碎石环带与恒星的距离大约相当于太阳系中木星到太阳的距离，大约是4至6个天文单位。而所谓一个天文单位，也就是地球到太阳的距离，约1.5亿千米。这个碎石环带非常类似于我们太阳系的小行星带。此外，这个环带的温度约在零下163摄氏度左右，远比其他类太阳恒星所拥有的环带更温暖。这表明这一环带非常活跃，可能不断有碎石物质补充进来。

　　天文学家认为，与太阳系的成长状况相比，这个环带附近很可能正在形成或刚刚形成类地行星（即岩石行星），这颗行星诞生中的多余碎石构成了环带，而行星和恒星两者引力的影响，又约束了环带。“HD12039”的年龄比较符合类地行星诞生的条件，此外环带轨道的位置也符合类地行星诞生的要求。换句话说，很有可能在这个环带附近产生和地球相似的行星。

　　

　　行星怎么形成？

　　

　　那么从理论上来讲，行星是怎么形成的呢？天文学家很久之前就提出了制造行星的基本方法。这种方法最简单不过：拿一团星际分子云（基本成分是低温气体和尘埃），轻轻摇动，再等各种成分的运动平息下来。气体和尘埃开始在自身重力作用下坍缩，大量物质向中心聚集，形成了恒星的雏形。然而，初始星云的任何微小旋转在收缩过程中都会明显放大。旋转运动会将物质压成一个气体和尘埃构成的圆盘，在100万年间向内旋转并降落在新生恒星上。圆盘里剩下的物质开始形成行星。这一过程清楚地解释了为何我们太阳系的所有行星都顺同样的方向旋转，并且轨道几乎在一个平面上。

　　这些理论究竟是否符合太空中所观察到的实际情况呢？在长期的太空观测中，人们发现了理论的很多不足之处。天文学家首次发现太阳系外还有行星在围绕其他恒星运行。出乎所有人意料的是，这些星系与我们的太阳系截然不同。很多星系有所谓的“热木星”，也就是轨道距离恒星极近的庞大气体行星，温度超过1000华氏度。还有很多新发现的行星以高度椭圆的轨道运行，有时距离恒星很近，有时又非常远。这也与太阳系行星通常接近圆形的轨道不同。

　　研究者以前认为行星自形成之后位置就不再变化，但“热木星”的存在表明，在行星生命早期，轨道常常会剧烈变化。大行星可能在一开始距离恒星比较远，然后由于引力作用呈螺旋状靠近。这种轨道改变可能毁灭已经形成的像地球这样的小型行星，因为向内运动的大行星会像保龄球撞倒球瓶一样摧毁小行星。因此行星形成的时间和体积，或快或慢，是大还是小，这些问题至关重要。

　　

　　实践走在了理论的前列

　　

　　电脑模拟显示小型的陆地行星很可能形成比较慢，但这些也只是推测。天文学家不仅需要理论的支持，更重要的是，他们需要正在形成行星的真实星系的真实数据。”这正是“斯皮策”望远镜每天所获得的。

　　罗切斯特大学的天文学家丹·沃特森负责将摄谱仪得到的新恒星“Cohen-Kuhi4”的长波和短波数据结合起来，这颗恒星属于金牛星座，距离地球420光年。光谱能显示恒星以不同波长释放能量的多少，每个波长对应一种温度。恒星本身会形成单峰值的光谱，大量能量集中在炽热的短波上。环绕恒星的低温尘埃盘会释放出很多长波红外线，在光谱中形成另一个峰值。但沃特森看到的与两种模式都不相符。显然这是一颗年轻的恒星，显然它周围有低温尘埃盘，但有什么东西将尘埃盘的红外信号“咬”掉了一大块。

　　沃特森说：“尘埃盘内环部分释放的光完全消失了。我立即想到了这意味着什么。”他将数据整理好，传送给了另一位科学家比尔·福雷斯特。福雷斯特说：“我立刻知道我们发现了一颗行星。”如果尘埃盘有一部分消失了，一定有什么东西把它清除掉了。一颗巨大行星形成后不久，它的引力会在尘埃盘中扫荡出一个环状孔洞。“Cohen-Kuhi 4”周围的缝隙很可能就是这样形成的。

　　“Cohen-Kuhi 4”处于演化的初期，这个阶段在以前没有人详细观察过。沃特森和福雷斯特研究之后得出结论，这颗恒星和尘埃盘大约有100万年历史，几乎是已知的出现大洞的恒星系统年龄的1／10。天文学家第一次得到证据证实，恒星形成可以是一个很快的过程。但发现“Cohen-Kuhi 4”的环形洞还只是故事的开始。从那以后，科学家们又发现了一些类似的尘埃盘和其他很多年轻的恒星。

　　他们从这些观察数据中得出的结论是，行星形成过程“有快有慢”。“斯皮策”望远镜研究的尘埃盘的平均年龄有1亿年，是“Cohen-Kuhi 4”周边行星形成时期的100倍左右。这令天文学家们大为惊讶。他们本来以为行星在迅速的形成过程中会用光周围的物质，令尘埃盘迅速消失。但“斯皮策”的观测结果表明，尘埃盘的存在时间以及后期的行星形成过程可能要长得多。

　　尘埃盘不可能是最初的物质，因为最初物质会在很早之前落到恒星上；年龄比较大的恒星周围聚集这么多尘埃的唯一途径是大型碰撞。肯定有比较大的星体，如原始行星、巨型彗星、小行星等都从尘埃盘中形成，随后又和另一个碰撞了。

　　研究者认为，行星在变得完全成熟之前有漫长曲折的路要走。即使在非常老的星系中，大型碰撞仍在继续。而在地球上的科学家们，他们之间对各种观测结果也有不同的认识，也在积极“碰撞”，以期寻找事实的真相。在这个过程中，“斯皮策”望远镜立下了很大的功劳，它那能够穿透尘埃的眼睛，使得研究者们看到了更多的宇宙图像，从而有可能把研究深入下去。

　　【责任编辑】李金