這裡有行星正在形成！或許，還有它的月亮？
人類雖然沒機會看到太陽、地球、月球是怎麼生成的，但能藉由觀測別的天體來理解整個過程。近幾年人類終於看到了形成中的行星，甚至還看到一些跡象，讓天文學家猜測可能是正在形成的衛星，或許人類見證著別人家的月亮正在形成！
撰文｜許世穎
●恆星與行星的形成
太陽身為一顆恆星並不孤單，夜空中大多數的星星都是恆星，在太陽系以外的地方發光發亮。地球身為一顆行星也不孤單，不只太陽系內有至少另外七位兄弟姐妹，太陽系外的恆星也有「系外行星」圍繞。而身為衛星的月球自然就更不孤單了，不但有太陽系外的「系外衛星」，連人類都發射了好多人造衛星陪伴它繞行地球。
行星繞著恆星轉，衛星又繞著行星轉，到底這樣的系統是如何生成的呢？由於我們對恆星、行星、衛星的形成機制都還沒有非常確切的結論，這裡只介紹其中一些接受度較高的論點。
我們得先從層級最高的恆星形成機制開始說起。宇宙中瀰漫著許多的「巨大分子雲（Giant Molecular Cloud）」，在雲氣比較密集的地方會因為重力而吸引週遭的其他物質靠近。聚集的過程中溫度還會愈來愈高。漸漸地中心會出現一個高密度、高溫度的核心，這個核心稱為「原恆星（protostar）」。由於原恆星內部溫度還沒有高到可以點燃「核融合」反應，所以還不算是個真正的恆星。「原恆星」接下來會持續吸入週遭的物質、變得更密集、溫度變得更高。最後終於到達核融合可以開始的溫度，成為真正的恆星。
「原恆星」跟後來的「恆星」在演化過程中都分為幾個不同的階段。原恆星最後一個階段叫做「金牛Ｔ星（ T Tauri star）」，而變成恆星後的第一個階段則稱為「赫比格Ae/Be星（Herbig Ae/Be star）」。有些金牛Ｔ星和赫比格Ae/Be星周圍會有盤面分佈的物質繞轉，稱為「原行星盤（protoplantary disk）」，就是孕育行星的地方。
原行星盤上大多數的物質還是會被核心吸進去，變成恆星的一部分。但有少部分的塵埃粒子會互相碰撞黏合成小碎片，小碎片會再繼續碰撞黏合形成大碎片。接著就像滾雪球一樣愈滾愈大，當碎片大到一定程度以後，就被稱為「原行星（protoplanet）」。經由更近一步的機制發展以後，原行星就有機會成為真正的行星，一邊繞轉軌道，一邊靠重力主動吸引軌道上的小碎屑（圖1）。[1]
要怎麼從觀測到的原行星盤圖像中找到正在形成的行星呢？由於解析度的關係，我們不一定能從相片「直接看到」一顆行星在成形。不過凡走過必留下痕跡。由於行星要形成得「蒐集」軌道上的其他小碎屑，導致行星所在軌道上的碎屑會「消失」。就好像在一個佈滿灰塵的地板上用手指畫一個圓，然後再把手上沾到的灰塵捏成一個小球一樣。所以當我們從原行星盤的影像中看到一圈缺乏物質分佈的間隙，就代表在那個軌道上，可能有正在逐漸成形的原行星繞轉。
「長蛇座TW（TW Hydrae）」是離太陽系最近的金牛Ｔ星。更幸運的事情是，它的行星盤面幾乎正面對著我們，所以我們可以非常清楚地拍攝它盤面上的構造（圖2）。從照片中可以清楚看到環狀分佈的間隙，這些間隙就有可能是行星正準備要形成的地方。
那到底有沒有實質的證據證明這些地方真的有行星在形成呢？雖然很難，但還是做到了！2018年的觀測中，終於在另外一個金牛T星「PDS 70」中拍攝到了正在形成中的原行星--「PDS 70 b」。
●PDS 70 b：首次「看」見正在成形的原行星
「PDS 70」又叫做「半人馬座V1032（V1032 Centauri）」，也是一個有原行星盤的金牛Ｔ星。雖然名字裡面有個「半人馬座」，但其實只是從地球上看過去剛好投射在同一區域而已，與半人馬座一點關係都沒有。2012年的觀測中，發現它的原行星盤也有環狀間隙，天文學家相信在那裡有行星形成並持續觀測。
經過數年的努力，在2018年從中央金牛Ｔ星周圍的間隙中，真的有看到一團物質聚在一起。經過進一步分析以後，那一團物質被認定是一個正在形成的原行星，被命名為「PDS 70 b」。這是人類第一次直接看到一顆正在形成中的行星，寫下人類對系外行星的觀測新的一頁。到了2019年用了其他的觀測方法，在這個原行星盤的間隙裡又找到了另外一顆正在形成的原行星，命名為「PDS 70 c」。根據研究估計，「PDS 70 b」及「PDS 70 c」的質量都大概是我們太陽系木星的數倍，前者的平均軌道半徑約二十個天文單位，和天王星的軌道半徑差不多。後者的平均軌道半徑則約三十個天文單位，和海王星的軌道半徑差不多（見圖3）[4]。
●PDS 70 c：首次見證「別人的月亮」形成
圖4是對PDS 70原恆星系統的觀測結果。圖中可以看到原行星「PDS 70 c」周圍還纏繞一層物質，對於一般大眾來說或許沒有什麼特別，但對於天文學家來這可是至寶。想想看：「圍繞在恆星周圍」的會變成「行星」，那「圍繞在行星周圍」的，會變成什麼呢？
當然就是衛星啦！這一層在「PDS 70 c」週遭小小的盤面，正是形成它自己的衛星！如同「系外行星」指稱太陽系以外的行星一樣，我們用把太陽系以外的衛星稱做「系外衛星」，而英文則稱為「Exomoon」，直譯的話就是「系外月球」。換句話說，人類可能正在見證別人家月球的形成！
人類雖然沒機會看到太陽、地球、月球的生成，但可以藉由對其他天體的觀測暸解這些系統的形成機制，了解我們太陽系是如何生成。更進一步來說，甚至有可能了解地球上的生命是如何誕生。行星形成過程中會不會留下有機分子，成為未來行星生命的起源？還是行星形成後就能在自己的環境中產生生命？這些都需要後續更多觀測給我們答案。
- [1] NASA / How do planets form?
- [2] NRAO / Astronomers Get Rare Peek at Early Stage of Star Formation
- [3] NASA Exoplanet / First detection of methyl alcohol in a planet-forming disc
- [4] wiki / PDS 70
- [5] SciTechDaily / Existence of Two Giant Newborn Planets in PDS 70 System Confirmed by Astronomers
- [6] Earth Sky / Space Are moons forming around this distant gas giant planet?