SPHERE拍摄的惊艳太空图像揭示新行星诞生地

在我们的太阳系中，除了太阳、行星以及冥王星这类矮行星外，还存在着种类繁多的小型天体。科学家特别关注大小从约1公里到数百公里不等的天体。那些偶尔释放气体和尘埃并形成彗尾等可见特征的被称为彗星，而不表现出这种活动的则被标记为小行星。

这些小型天体保存着太阳系早期的线索。在微小颗粒逐渐形成行星的漫长过程中，会形成被称为星子的中间天体。小行星和彗星就是这一过渡阶段的残余物，是未能发育成完整行星的星子。从这个意义上说，它们是构成地球的原始物质经过一定改变后的痕迹。

搜寻系外行星系统中的小型天体
天文学家已经发现了6000多颗系外行星（即围绕太阳以外恒星运行的行星），这让我们对星系中行星系统的多样性有了更清晰的认识。直接拍摄这些行星仍然极其困难。到目前为止，被拍摄到的系外行星不到100颗，即使是最大的行星也只是呈现为没有特征的光点。

搜寻小型天体的挑战更大。格勒诺布尔阿尔卑斯大学的天文学家、该研究的合著者朱利安·米利博士指出：“从图像中找到遥远行星系统中小天体的任何直接线索似乎完全不可能。其他用于探测系外行星的间接方法也无济于事。”

尘埃是探测隐藏星子的关键
这一突破并非来自小型天体本身，而是来自它们碰撞时产生的尘埃。年轻的行星系统活动尤为频繁。星子经常相互碰撞，有时会合并成更大的天体，有时会碎裂成更小的碎片。这些事件会释放大量新鲜尘埃。

尘埃可见性背后的物理原理其实很直观。将一个物体破碎成许多微小碎片时，其总体积不变，但表面积会急剧增加。例如，如果一颗直径1公里的小行星被粉碎成直径仅1微米（百万分之一米）的尘埃颗粒，其总表面积将增加10亿倍。表面积越大，反射的恒星光就越多，从而使尘埃更容易被探测到。通过观测这些尘埃，天文学家可以推断出产生尘埃的不可见小型天体的细节。

debris盘如何随时间演化
debris盘不会永远保持明亮。随着年轻系统的成熟，碰撞变得越来越少。尘埃可能会被中心恒星的辐射压推向外部，被行星或星子清扫，或者向内螺旋运动并落入恒星。

太阳系就是一个晚期阶段的例子。经过数十亿年，剩下两个主要的星子带：火星和木星之间的小行星带，以及巨行星之外的柯伊伯带。还有一群较小的尘埃颗粒持续存在，形成黄道尘埃。在特别黑暗的天空下，日落后不久或日出前，这些尘埃散射的阳光会呈现为一种微弱的光芒，称为黄道光。

对于从远处研究太阳系的观测者来说，这些微弱的残余物很难被探测到。然而，这项新研究表明，年轻系统周围类似的尘埃结构在 debris盘形成后的最初约5000万年里应该是可见的。拍摄这些图像极具挑战性。这项任务堪比在几公里外拍摄刺眼的体育场泛光灯旁的一缕薄薄的香烟烟雾。SPHERE于2014年春季在欧洲南方天文台（ESO）的一台甚大望远镜（VLT）上开始运行，它就是专门为这类情况设计的。

SPHERE如何阻挡星光以揭示微弱特征
SPHERE背后的基本原理在日常生活中很常见。如果阳光直射眼睛，你可能会抬手遮挡强光，以便看清周围的事物。SPHERE使用日冕仪来实现对系外行星或 debris盘成像时的同样效果。通过在恒星光线的路径中插入一个小圆盘，该仪器在捕捉图像之前阻挡了大部分眩光。这种方法只有在光学系统保持极高稳定性和精度的情况下才能奏效。

为了保持这种稳定性，SPHERE依赖于一种高度先进的自适应光学系统。地球大气中的湍流会扭曲入射的星光，SPHERE持续监测这些扭曲，并使用可变形镜面实时校正。一个可选组件还可以分离“偏振光”，这种光是由尘埃反射而非恒星直接发射的特征光。这种额外的过滤增强了SPHERE探测微弱 debris盘的能力。

一项重大调查清晰地揭示了51个 debris盘
这项新研究展示了一组独特的 debris盘图像，这些图像是通过分析微小尘埃颗粒散射的星光创建的。“为了获得这一集合，我们处理了161颗附近年轻恒星的观测数据，这些恒星的红外辐射强烈表明存在 debris盘，”该研究的主要作者、苏黎世联邦理工学院的纳塔莉亚·恩格勒说。“由此产生的图像显示了51个具有各种特性的 debris盘——有的较小，有的较大，有的从侧面观测，有的几乎正面观测——并且 disk结构具有相当大的多样性。其中四个 disk此前从未被成像过。”

对如此大的样本进行研究有可能发现更广泛的规律。分析表明，质量更大的年轻恒星往往拥有质量更大的 debris盘。尘埃在离恒星更远的地方聚集的系统也倾向于拥有质量更大的 disk。

环、带和未被看见的行星的线索
SPHERE结果最引人注目的方面之一是 disk内部结构的多样性。许多 disk显示出环状或带状结构，物质聚集在距离恒星特定的位置。这种排列类似于我们的太阳系，其中小型天体聚集在火星和木星之间的小行星带以及柯伊伯带。

这些结构被认为是由行星塑造的，尤其是那些在轨道运行时会清理出路径的大型行星。一些相关的行星已经被探测到。在其他情况下， disk中清晰的边缘或不对称性强烈暗示存在尚未被直接观测到的行星。正因为如此，SPHERE调查为即将建成的设施提供了一组有价值的目标。詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）以及欧洲南方天文台正在建造的极大望远镜（ELT）上的仪器应该能够直接成像至少一些正在塑造这些尘埃环和间隙的行星。