行星是如何诞生的？小行星是怎么形成的？

　　在我进入研究生院的那一周，智利宣布了新的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）望远镜的第一个科学项目。这个开创性的设施使用数十个无线电天线协同工作，以创建像16公里宽的单个望远镜拍摄的图像一样详细的图像。有了这种极高的分辨率，ALMA可以在毫米波和亚毫米波波长的光中看到比以往任何望远镜都更深，更远的图像。我抓住机会加入了它的第一个项目，研究附近一颗叫做AU Mic的恒星周围的灰尘和碎石。我们观察到的主题是在ALMA建立之前，科学家从未如此详细地看到过的东西。尘土和瓦砾听起来可能并不那么令人兴奋，但它们是行星的原材料。

　　数据又花了一年的时间。现代天文学通常是在很远的地方完成的：我们不需要在偏僻的山地天文台上呆一晚，而是提交一个计算机脚本，告诉望远镜观察什么以及何时观察。然后，我们耐心地（或更经常地，不耐烦地）等待我们的观察计划并完成。我仍然记得这样的预期：等待数据下载时，等到它准备好了，当图像出现在计算机屏幕上时，它就产生了敬畏的感觉，长而细的光点，带有三个亮点：一个在中心，两个在边的两侧。

　　我们瞥见的是一个正在成长的太阳系。中心点实际上是恒星，我们现在知道它正在燃烧，将高能粒子爆发发射到太空。另外两个亮点标志着环绕中心恒星的一堆碎片的边缘，类似于绕太阳公转的柯伊伯带。我们认为该波段是在约32光年以外的年轻M矮星AU Mic周围形成行星后留下的瓦砾。其他科学家最近发现了该系统中的两个行星：一个围绕木星的质量，另一个围绕土星的质量，两者的轨道都非常接近其恒星。现在，我们有了前所未有的机会，可以看到圆盘中的物质如何演化并与新形成的行星相互作用。

　　自从早期的图像以来，ALMA的功能就不断扩展，该阵列现在具有新的特点，更高的分辨率和更大的波长覆盖范围。同时，对星际盘和行星形成的研究也迅速发展。ALMA拍摄了数百幅行星刚形成的照片，帮助我们建立了这样一个系统如何形成的新视图，并揭示了我们从未发现过的行星丛。

　　小行星

　　恒星由称为分子云的气体和尘埃的广大区域形成。典型的空白空间密度是每立方厘米只有一个原子，但是分子云的最厚区域的密度可以达到此标准的10,000到100万倍。当这些斑点或“核”变得足够稠密时，它们开始在自身引力作用下坍塌而成为恒星。同时，坍缩核的初始旋转和角动量守恒自然形成围绕新生恒星的圆盘。天文学家称这些尘埃和气体的集合为“绕星盘”（意为“围绕恒星”）。

　　当恒星还很年轻（只有几百万年的年龄）时，它们的绕星盘相对较大，在典型系统中，其恒星质量通常约为中央恒星质量的1％至10％。对于像太阳这样的恒星，其质量相当于木星质量的100倍。这些年轻而庞大的飞盘是“原行星”，因为我们认为这是行星活跃形成的地方。岩石，金属和冰从盘中凝结形成行星种子。随着种子开始碰撞并粘在一起，它们会越来越大，直到它们具有足够的重力以通过称为吸积的过程开始吸引更多的物质。刚形成的的原行星在圆盘内旋转并继续积累物质，在行星吃豆人游戏中在圆盘上划出间隙。

　　原行星盘阶段持续数百万年。此后，来自初始恒星盘的大部分气体和尘埃都被清除了。清除过程是如何发生的，以及在什么时间范围内是积极研究的领域，但我们认为原始磁盘中的许多尘埃或气体要么向内迁移并落到中心恒星上，要么被强恒星风吹走。大约一千万年后，剩下的只有一颗成熟的恒星，周围环绕着新的行星系统以及一小片残留的小行星和彗星。这种剩余材料的总质量很低，可能不到地球质量的10％。尽管这些“碎片盘”中可能仍然有足够的质量，可以形成小型的地球行星或类似冥王星的天体，但您可以将它们视为早期行星形成的化石记录。

　　在智利阿塔卡马沙漠的高处，ALMA天文台串联使用数十个天线来捕获遥远的行星系统的图像。

　　天文学家于1983年发射红外天文卫星（IRAS）时首次发现了碎片盘。这是第一颗在红外波长（12至100微米；人的头发大约75微米）上探测整个天空的卫星。您可以将红外线视为热量。当IRAS扫描红外天空时，天文学家发现许多恒星看起来比预期的要明亮。为什么？提出的答案是灰尘。如果这些恒星被尘埃盘包围，则谷物将被恒星加热，然后辐射出红外范围内的热辐射。根据这一推论，一个新的研究领域诞生了。实际上，至今仍对IRAS发现的前四个碎片盘（Vega，Beta Pictoris，Epsilon Eridani和Fomalhaut）进行研究和困惑。

　　通过使用红外望远镜搜索这样的亮点，天文学家已经证实至少有20％到25％的恒星被碎片盘包围。考虑到我们对行星系统形成方式的了解，可以从逻辑上得出结论：所有恒星都应被残留的物质包围—毕竟，开普勒任务的统计数据告诉我们，银河系中的每个恒星至少都有一个绕轨道运行的系外行星。实际上，碎片盘可能比我们所知道的更为普遍。甚至我们的太阳系都有自己的多个碎片盘系统-小行星带和柯伊伯带。然而，与我们一直在成像的其他恒星周围的系统相比，太阳系实际上是灰尘少的。事实上，迄今为止，最深入的红外调查只能识别出尘埃质量比我们在太阳系中看到的尘埃质量高大约一个数量级的磁盘。这是否会使我们的宇宙之家变得奇怪？我们还不确定。我们一直在研究最庞大，最极端的磁盘，但可能还会发现更多低质量的磁盘，这些磁盘将有助于我们将自己的行星系统置于背景之中。

　　尽管天文学家从1980年代早期的红外观测开始推断出尘埃盘的存在，但他们不知道它们是什么样。在1990年代和2000年代改进望远镜技术之前，只解决了一个单星系统，贝塔·皮克托里斯（Beta Pictoris）。值得注意的是，哈勃太空望远镜采用了日冕成像技术，这是天文学家用来遮挡来自中心恒星的光，以便看到周围物体变暗的一种技术，以成像散射在星际盘上的小尘埃颗粒上的光。尽管这些早期图像中的许多图像不清楚，但它们首次表明，星际盘实际上具有扩展的复杂结构。如果是Beta Pictoris周围的碎片盘，哈勃望远镜的第一张照片显示了盘内部区域的扭曲，天文学家认为这可能表明一颗看不见的行星。直接成像后来证实了这个世界。