行星從哪裡來？（下）解碼原行星盤的五段演化

2014 年智利阿塔卡瑪沙漠的大型毫米／次毫米波陣列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，ALMA）首度公布 HL Tau 星盤的高解析影像，成為最具代表性的成果之一。這顆年僅百萬年的年輕恆星，周圍塵埃盤竟出現清晰的環帶與縫隙，首次提供行星可能極早期便開始改變盤面結構的觀測證據。這項發現引發天文學界對行星形成時機與機制的廣泛討論：行星是否恆星尚未完全「長大」之前，就開始重塑周圍環境？

2018 年後續研究顯示，類似結構在多數原行星盤普遍存在，激起了「是否為行星所致」辯論，也讓天文學界更關注結構成因。2021 年，天文學家提出一套五階段的原行星盤演化模型，描述從年輕盤的平滑結構到出現環帶、間隙與中央空洞的過程。研究員現在結合 ALMA 觀測資料與高階數值模擬，成功建立五個演化階段形成條件與動態過程，支持這套模型假設的行星形成機制。

原行星盤的演化可歸納為以下五個階段：

階段 I1（初期）：盤面結構仍然平滑，幾乎看不出明顯環帶或間隙，尚未有行星形成的跡象。
階段 II2（中期）：原行星開始出現，重力作用在盤面挖出初步間隙，形成早期環帶結構。
階段 III3（中期）：行星進一步成長，盤面環帶與縫隙更明顯，顯示巨大行星可能百萬年內甚至更短時間，於遠離母恆星的位置成形。
階段 IV4（後期）：盤面中央出現明顯的塵埃空洞，表示行星與盤面間的交互作用加劇，系統進入後期演化階段。
階段 V5（後期）：中央空洞更擴大，盤面結構轉變顯著，反映行星形成對盤面造成的長期影響。

▲ 上方顯示原行星盤五演化階段的模型示意圖，下方列出 15 個實際由 ALMA 拍攝的原行星盤影像，依結構特徵分別對應不同演化階段。（Source：論文）

這些演化階段形成，推測與行星盤中造成的壓力變化有關，改變氣體密度與塵埃的堆積分布，促成環帶與縫隙等結構出現。模擬結果顯示，即使行星質量與軌道差異甚大，仍可能形成與 HL Tau 類似的盤面樣貌。這項研究不僅深化理解 HL Tau 影像，也為行星與盤面互動的物理機制提供重要線索。將來若能觀測到更小、光度更低的岩質行星，有助釐清類地行星的形成過程，並補足對太陽系起源的認識。