天文学家发现了一个婴幼儿版的太阳及其正在形成之中的“太阳系”。 我们的太阳系在诞生之初是何模样？各个行星出现于何时？要返回到过去为早期太阳系拍照显然是不可能的，但我们可以退而求其次：找到年龄在100万年至500万年之间的类日恒星，拍摄它们的新生的行星系统，我们认为，这个年龄段正是巨行星的形成时间。
新生的太阳系外行星系统有极其重要的研究意义，因为它们有助于我们从行星形成的角度去了解我们自己所在的太阳系。超过80%的恒星形成于富含气体和尘埃的盘中，故而有形成行星的潜力。通过很多种途径，我们已经辨认出了760颗以上类似于太阳的中年恒星周围的行星系统，但其中许多的构成方式都与太阳系大相径庭。在各发展阶段中，新生行星系统是一个重要的缺失环节，而研究它们非常有助于我们探究行星系统间千差万别的构成方式是怎样出现的，又出现于何时。
在金牛座、天蝎座和猎户座中，有我们所熟悉的几个恒星形成区，其中很可能有新生的行星系统。但是与半人马座α、天狼星等最近的邻近恒星相比，它们的距离要远得多。所以，要为这些行星系统拍摄清晰图像并在其中显示出近期行星形成过程的迹象，已是难度极高的工作，更不用说显示出其中的行星了。
最近，一颗名字很普通的恒星LkCa 15（读作“Lick calcium 15”）或许将带给我们第一幅精细的类似新生太阳系的行星系统“婴儿照”。它位于金牛座的恒星形成区之中，距离450光年，其质量与太阳接近（0.97太阳质量）。它的年龄在100万年至500万年之间，与土星，或许还有木星形成时的太阳系年龄相当。这颗恒星处于一个富含气体的盘的包围之中，这个盘的结构类似于太阳系中形成行星的盘。依靠新的技术和观测方法，我们证实了LkCa15的盘中存在着一个新生的行星系统。
行星形成过程的信号
天文学家已经辨认出LkCa 15的盘属于围绕恒星的盘中的一个特殊类别：其成员可能正处于前行星构成阶段和行星形成完成阶段的过渡阶段。与典型的盘相比，LkCa 15周围的那个盘（以及其它与其类似者）的中红外辐射较弱。恒星周围的盘的热辐射来自被中央恒星加热的尘埃，所以缺乏这种辐射的区域似乎应是固体材料被从行星系统中去除或被较大天体吸收的巨大空旷带。
根据尘埃的温度数据，理论模型可以帮助我们估计尘埃存在于（以及不存在于）何处。在建构这些模型时，我们发现，其中许多盘都有清空的内晕或巨大的缝隙，它们将近距离围绕恒星运转的高温物质和在很远处绕转的低温物质相分离。尤其是在2007年至2009年期间，由Catherine Espaillat（哈佛—史密松天体物理中心）领导的研究显示，LkCa15的盘从0.1天文单位半径处开始有一个内尘埃盘（其外围半径尚不确定），而50天文单位半径处有一个外盘——这个距离足以囊括太阳系的所有行星和内柯依伯带。
理论家们预言，处于行星形成过程中的年轻盘会有类似于LkCa 15的空隙。通过向周围物质施加潮汐力矩，大质量行星可以影响到盘的结构。如果行星质量远大于土星，强大的力矩就会在盘上打开空隙，其中几乎没有气体，可能也缺乏尘埃。行星质量越大，它在盘上打开的空隙也越大。
如果未被扰动，盘物质最终将向内螺旋下坠，被恒星吸收。由于质量不及木星的行星打开的空隙较小，它们无法影响到物质被恒星所吸积的方式；盘内侧区域的物质可以源源不断地得到从外层螺旋坠落的物质的补充。而当行星质量超过木星时，就会截下更多的向内输送的气体，抑制内盘从外盘得’到补充，并使得空隙扩大。超过10倍木星质量差不多就是目前发现的最大的系外行星了，它们可以截断恒星吸积气体的过程，在内盘上留下一个空晕，而不仅仅是缝隙。因此，对于一颗正在形成中的新生的木星质量行星而言，被有缝隙（而非内晕）的盘围绕、吸积率较低的恒星正是其存在的征兆。
拍摄新生的行星系统
在2009年以前，人们就发现LkCa 15强烈地显示出了拥有年轻的行星系统的明显迹象。Vincent Pietu（法国毫米波射电天文学研究所）主持的亚毫米波观测，以及Sean Andrews（哈佛—史密松天体物理中心）和Andrea Isella（加州理工学院）最近的观测都显示，LkCa 15的盘上有一个巨大的缝隙。此外，这颗恒星吸积气体的速率很低，与其它具有类似盘的恒星相当。
尽管有了这些积极的迹象，但是要证实在LkCa15周围存在着年轻的行星系统，还必须有更清晰的多波段的50天文单位及其以内的内盘图像，才能辨认出那颗不可见的行星造成的盘结构，以直接排除恒星伴星或褐矮星伴星等其它可能。因为LkCa 15在近红外波段较亮，所以必须以地基望远镜在该波段对其拍摄，还要同时达到超过哈勃空间望远镜的角分辨率和对比度。
当时，要清晰地呈现出LkCa 15的行星系统面临着两个主要难题。第一，在大气湍流的干扰下，图像会变得模糊不清，使我们无法将恒星和行星的光分辨开。第二，没有在光学上完美无缺的望远镜：镜面上的瑕疵会产生缓慢变化的明亮噪点，即色斑，它们会在图像上掩盖行星的存在。所幸的是新型的自适应光学系统可以补偿大气湍流导致的模糊。无独有偶，先进的数据获取和图像处理方法还可以消除色斑噪声，展露出在恒星周围绕转的盘或行星的真容。
夏威夷岛上的8.2米昴星团望远镜，配上一台专门设计用于拍摄系外行星和正有行星形成的盘的相机，为我们提供了说服力更强的证据。由荷兰阿姆斯特丹大学的Christian Thalmann领导的团队，在世界上第一次拍摄到了LkCa 15盘中的行星形成区。他们清晰地拍摄到了50天文单位处的盘上缝隙的内侧，发现了轮廓分明的边沿，这正是在盘中存在行星影响的情况下，理论预期的情景。更重要的是，这支团队发现，盘缝相对于中央恒星的位置有些轻微的偏离，这是一颗看不见的行星存在的强烈证据，Isella及其团队已经证实了这一发现。假如是低质量恒星伴星或褐矮星伴星导致了这种位置偏离，Thalmann等人就应该已经辨别出来，看来此种可能性可以排除。 去年10月，Adam Kraus（夏威夷大学）和Michael Ireland（麦考瑞大学，澳大利亚）报告在LkCa 15的盘缝中直接探测到了一颗行星。Kraus和Ireland在10米的凯克II望远镜上采用了一种新技术——非冗余星冕（non—redundant masking，NRM）干涉仪。NRM技术可以分开来自恒星及其近旁极明亮行星的光芒。Kraus和Ireland最早是在2009年发现了这个天体，当时它与寄主恒星的角距是75毫角秒（在450光年的距离上相当于距离中心恒星10天文单位，接近土星轨道的半径）。2010年的几次观测在大致同样的位置上又发现了它。因为已经知道LkCa 15的空间运动情况，他们曾经假设这是一颗无关的背景天体，再将这种情况的理论位置与实际观测位置相比较，从而得出结论：这不是背景天体，而是一颗与LkCa 15存在引力联系的行星。
一颗新生的行星
虽然LkCa 15b今后将显现出行星的形状，但目前在图像上还有些看不出来，因为与最近拍摄到的绘架座β和HR 8799周围的成形的年轻行星（年龄分别为1200万年和3000万年）相比，这颗婴儿行星的外观仍然很模糊。这些行星看起来就像无法分辨的点光源，但是标识出LkCa 15周围行星的辐射看起来就像一个稍微拉长的气泡，意味着它的诞生地比一个足以形成巨行星的区域的直径还要大得多。此外，这种辐射并非来自一个结构，而是两个：在2微米波段图像上有一个清晰的中心物质团；而在3.8微米波段则呈现出另一对叶状结构，它们与恒星之间的距离与中心辐射源大致相等，但是在轨道上因为引力而牵引和跟随着中心天体。
LkCa 15b的复杂结构是简单地用反射光或木星大小的球状天体的热辐射所不能解释的。Kraus和Ireland将这对叶状结构解释为落向中心源的物质流，中心辐射源可能就标志着行星本身。故而，若与绘架座β和HR 8799周围行星的图像进行更深入的比较，我们实际上是间接看到了LkCa 15的婴儿行星，因为我们捕捉到了被加热的气体和尘埃落向被重重包裹的中心源（行星本身）的过程。
在探究这颗行星的物理性质时，它的古怪外观还带来了一些额外的难题。例如，气体巨行星会收缩和冷却，复杂的行星演化模型可以定量地描述这一过程。所以，根据绘架座β b和HR 8799周围的四颗已知行星的亮度，可以估计它们的质量。而要用这种方法估计LkCa 15b的质量则非常地棘手。这是因为行星形成后的冷却速度非常快，而这颗婴儿行星的年龄不确定性（100万年至500万年）又很大，这就导致了质量误差范围远远大于绘架座β b和HR8799的周围行星。
更重要的是，标识出这颗行星的光似乎并不仅仅来源于行星本身，其中可能还包括了周围吸积物质的辐射。所以，即便我们能够准确地知道LkCa15的年龄，也很难准确估计出行星本身的亮度并由此估计其质量。但是中心源和叶状结构的总亮度低于年轻的10至20倍木星质量的天体，这一点意义重大，意味着这颗行星的总重量很可能不到10倍木星质量。如果是这颗行星制造了盘上的缝隙（这很可能就是事实），那么根据关于星周盘的理论模型就可以得到这样的预言：这颗行星至少有1个木星的质量。所以它很可能质量与木星相当，或者是按比例稍稍放大的木星。
第一张婴儿行星的图像
尽管LkCa 15的盘及其婴儿行星给出了重要的第一张婴儿太阳系的图像，但我们很可能没有辨认出其中所有的大质量行星。Zhaohuan Zhu（普林斯顿大学）和Sally Dodson—Robinson（得克萨斯大学奥斯汀分校）近期的研究指出，仅仅一颗巨行星无法制造出LkCa 15的盘上的巨大缝隙。我们还需要拍摄到这个缝隙中的第二颗巨行星才行，而这第二颗行星会使得LkCa 15系统更像年轻的太阳系，因为我们的太阳系中就拥有两颗巨行星。
很令人鼓舞的是，LkCa 15很可能不是唯一的可以拍摄到婴儿行星的新生类日恒星。包括Catherine Espaillat和Kyoung Hee Kim（罗彻斯特大学）在内的好几位研究者已经发现了很多年龄与LkCa 15相似的近距恒星，它们也有星周盘环绕，盘上亦有强烈预示着存在行星形成过程的巨大缝隙。Sean Andrews（天体物理中心）和David Wilner（夏威夷大学）的亚毫米波图像显示，其中一些盘存在着从10天文单位扩展至50天文单位的巨大缝隙，在我们的太阳系里，这个范围正是气态巨行星和冰态巨行星的轨道区域。它们还呈现出了预示着大质量行星存在的相关结构。
Nuria Huelamo（西班牙航空航天技术研究院/西班牙国家科学研究理事会天体物理中心）领导的研究团队利用位于智利的甚大阵，可能已经在另一颗类日恒星堰蜓座T的盘上缝隙中发现了一个低质量天体，这或许是太阳系的另一个年轻版。这些新的观测使我们相信，虽然目前仅有一张正在形成中的行星系统的图像，但很快数量就会增长，并组成一个年轻太阳系类似者的家族。在行星形成的相关领域内，它将有力地帮助我们廓清太阳系的演化史。
——译自《天空与望远镜》（2012年8月号）
（责任编辑：郭晓博）
