原行星盘

新形成的年轻恒星外围绕的浓密气体

原行星盘是在新形成的年轻恒星（如金牛座T）外围绕的浓密气体，因为气体会从盘的内侧落入恒星的表面，所以可以视为是一个吸积盘。但是，不能将这个过程与恒星形成时的吸积混淆在一起。

简介

原行星盘（英语：Proplyd or Protoplanetary Disc）是在新形成的年轻恒星（如金牛T星）外围绕的浓密气体，因为气体会从盘的内侧落入恒星的表面，所以可以视为是一个吸积盘。但是，不能将这个过程与恒星形成时的吸积混淆在一起。

许多新形成的恒星周围都被一种叫做“原行星盘”的结构所包围，其中包含形成未来恒星系统的所有物质。环绕金牛座T的原行星盘，温度与大小都与双星周围的盘不同。原行星盘的半径可以达到1,000天文单位，但是温度并不高，在它们最内侧的温度也不过1,000K，并且经常有喷流伴随着。

典型的原行星盘来自主要是氢分子的分子云。当分子云分得的大小达临界质量或是密度，将会因自身重力而塌缩。而当云气开始塌缩，这时可称为太阳星云，密度将变得更高，原本在云气中随机运动的分子，也因而呈现出星云平均的净角动量运动方向，角动量守恒导致星云缩小的同时，自转速度亦增加。这种自转也导致星云逐渐扁平，就像制作意大利薄饼一样，形成盘状。从崩塌起约十万年后，恒星表面的温度与主序带上相同质量的恒星相同时，恒星将变得可以被看见，就像金牛座T的情况。吸积盘中的气体在未来的一千万年中，盘面消失前，仍会继续落入恒星。盘面可能是被年轻恒星的恒星风吹散，或仅仅是因为吸积之后，单纯的停止辐射而结束。发现的最老的原行星盘已经存在了二千五百万年之久。

太阳系形成的星云假说描述原行星盘如何发展成行星系统。静电和引力互相作用在盘面上的尘埃粒子和颗粒，使它们生常成为星子。这个过程与会将气体吹散的恒星风竞争，将气体累积并将物质拉入金牛座T的中心。

在我们的银河系内，已经观测到一些年轻恒星周围的原行星盘。第一个是在1984年发现的绘架座β，最近的则是哈勃太空望远镜发现在猎户座大星云内正在形成的原恒星盘。

天文学家已经在距离太阳不远的恒星，天琴座织女星、北冕座贯索四、和南鱼座北落师门，发现大量的原行星盘材料，或许本身就已经是原行星盘。

包含织女和北落师门的北河二共同运动星团被分辨出来。利用希巴古卫星资料，估计北河二星团年龄约二亿年（误差约一亿年），这显示以红外线观察到的织女和北落师门周围的残余物质可能已成星子，而不仅仅是原行星盘了。哈柏太空望远镜已经成功的观测北落师门的原行星盘，并证实猜测。

“原行星盘”能够形成潜在的行星和小行星等天体，然而这种转变是如何发生的，对科学家来说一直是个谜团，直到他们掌握了其中物质的“湍流”运动（turbulence）。“湍流”运动被某些人看作经典物理学中最后一个伟大难题。

模拟

美国科学家研究小组通过对“原行星盘”中湍流的理解，建立了模拟恒星系统演化的更加精确模型。

科学家首要面对的挑战是要为计算机模拟建立一个正确的模型，美国科罗拉多大学的科学家Jake Simon说：“我们的数值模拟通常使用的是一种非常特别的模型，那就是密度和温度随着离恒星的距离而变化。此外，还必须要考虑原行星盘中磁场的结构和强度，以及其中的电离结构，例如要找出其中哪里有足够的温度、亦或有强烈的辐射源能够把分子和原子中的电子敲掉，而产生正电荷离子。电离结构尤其重要，因为发生电离的原行星盘部分湍流会更加旺盛”。

第二个挑战是如何处理计算机模拟中的技术细节问题。Jake Simon说：“在某些区域，其中的电子和磁场牢固结合在一起，而离子不会，这样就会导致一种称为‘霍尔效应’的物理现象，我们的数值模拟还不能精确捕捉这种效应。”

成因

原行星盘是环绕在年轻恒星周围，由相对较高密度的气体和尘埃组成的气体盘。原行星盘在分子云坍缩过程中与年轻的恒星同时形成，并围绕恒星旋转。原行星盘的半径可达 1000 AU （天文单位），它是行星系统的诞生地。原行星盘的主要成分是气体，并含有少量尘埃。尽管尘埃在原行星盘内所占的质量比很低，却是原行星盘辐射转移的主角，对原行星盘的演化起着至关重要的作用。

HL Tau是距地球140 pc的一颗年轻恒星，由于其周围存在一个原行星盘，HL Tau系统一直是毫米波天文观测的热点。2014年，ALMA发布了针对HL Tau系统的科学测试观测结果（图），表明该系统的原行星盘内存在多个明暗交错的环带。此项观测结果是2014年国际天文学界的重大发现之一，并引起了公众的广泛关注。这是天文学家第一次得到原行星盘的高分辨率图像（分辨率为～3.5 AU），其给出的结构特征对研究行星系统的形成演化有重要意义，因为我们太阳系的行星系统就是诞生于和HL Tau系统类似的原行星盘中。更为重要的是，HL Tau系统内明暗交错的环带与理论上由类木行星（例如木星）在气体盘中打开的空带（gap）相符。这些观测到的明暗环带究竟是什么，它们又是如何形成的呢？

针对HL Tau原行星盘内明暗环带的成因解释主要可分为两类：第一类解释试图从原行星盘内的物理环境出发，比如Rossby wave instability，zonal flow，不同温度下不同物质的凝结等机制。第二类解释是行星与气体盘、尘埃盘的相互作用导致，即观测到的暗条纹即是行星形成理论中巨行星在盘内打开的空带的观测证据。

在该项研究中，科研人员首先基于原行星盘内行星与气体、尘埃相互作用的模型，开展了几十组数值模拟计算，并考虑辐射转移过程计算了不同模型参数所对应的观测图像，最终给出了一组最佳拟合ALMA观测数据的结果（图）。该项工作表明，三颗位于13.1，33.0和68.6 AU处，质量分别为0.35，0.17和 0.26 木星质量的行星可以得到和ALMA观测结果非常相符的毫米波图像。研究人员根据ALMA的观测结果限定了HL Tau原行星盘内的光谱指数与尘埃大小。研究表明，观测到的暗条纹属于光学薄的真正空带，而且这些空带是在气体盘和尘埃盘内同时存在的。研究结果揭示了以行星与原行星盘的相互作用是这些明暗交错的环带特征的成因。这项工作不仅有助于人们深入理解HL Tau系统中原行星盘的演化和行星形成过程，对于认识我们太阳系的起源演化也有重要科学意义。

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