这张图片展示了一系列经过色彩增强的天文观测图像网格，每一幅都描绘了一个环绕恒星的星周盘——由尘埃和气体组成的结构。网格中的每个方块代表一个不同的恒星系统，通过诸如“HD 105”、“HD 377”或“TWA 25”等星表名称进行标识。这些星盘在形状、大小和倾角上差异巨大：有些呈现为轮廓清晰的环状，而另一些则显示出拉长或不规则的形态。以紫色和橙色为主的调色板通过突出亮度和对比度来揭示结构细节。这种视觉上的多样性反映了恒星系统不同的物理特性和演化阶段，为行星形成和恒星演化提供了宝贵的见解。图片来源：N. Engler 等人/SPHERE 联盟/ESO
利用欧洲南方天文台（ESO）甚大望远镜上的SPHERE仪器，天文学家创建了一套非凡的图像集，展示了各种系外行星系统中的碎片盘。这些尘埃结构揭示了小天体环绕其恒星运行的区域，并为我们了解行星发展的最早阶段提供了罕见的见解。SPHERE项目科学家、该研究的合著者加埃尔·肖万（Gaël Chauvin）（马克斯·普朗克天文研究所）解释说：“这套数据集是天文学的宝藏。它为我们提供了关于碎片盘特性的非凡见解，并允许我们推断这些系统中无法直接观测到的更小天体，如小行星和彗星。”
在我们自己的太阳系中，一旦你将目光越过太阳、行星以及像冥王星这样的矮行星，种类繁多的小天体便映入眼帘。科学家们特别关注尺寸从约一公里到数百公里不等的天体。那些偶尔释放气体和尘埃、形成可见特征（如彗尾）的被称为彗星，而那些不显示此类活动的则被标记为小行星。
这些小天体保存着太阳系最早期的线索。在微小颗粒成长为行星的漫长过程中，形成了被称为星子的中间天体。小行星和彗星就是那个过渡阶段的残余物，是那些从未发展成完整大小行星的星子。从这个意义上说，它们是（在某种程度上）曾经构建地球的相同原始成分的变异痕迹。
寻找系外行星系统中的小天体
天文学家已经发现了6000多颗系外行星（即围绕太阳以外的恒星运行的行星），这让我们更清楚地了解了行星系统在整个银河系中的多样性。直接对这些世界成像仍然极其困难。迄今为止，只有不到100颗系外行星被拍摄下来，而且即使是最大的那些，在图像中也只是无特征的光点。
当寻找小天体时，这一挑战变得更大。正如该研究的合著者、格勒诺布尔-阿尔卑斯大学天文学家朱利安·米利（Julien Milli）博士所指出的：“从图像中寻找关于遥远行星系统中小天体的任何直接线索似乎根本不可能。用于探测系外行星的其他间接方法也无济于事。”
尘埃为探测隐藏的星子提供了关键
突破并非来自小天体本身，而是来自它们碰撞时产生的尘埃。年轻的行星系统尤其活跃。星子频繁地相互碰撞，有时合并成更大的天体，有时碎裂成更小的碎片。这些事件释放出大量的新鲜尘埃。
尘埃可见性背后的物理学原理出人意料地直观。将一个物体分解成许多微小碎片会保持其总体积，但会显著增加其表面积。例如，如果一颗一公里宽的小行星被粉碎成直径仅为一微米（百万分之一米）的尘埃颗粒，其总表面积将增加十亿倍。更大的表面积意味着来自恒星的光被反射得更多，这使得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这些尘埃的、未被看见的小天体的细节。
碎片盘如何随时间演化
碎片盘不会永远保持明亮。随着一个年轻系统的成熟，碰撞变得更为罕见。尘埃可能被中央恒星的辐射压力向外推，被行星或星子吸积，或者向内螺旋并落入恒星。
我们的太阳系提供了一个晚期阶段的例子。经过数十亿年，只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。一群较小的尘埃颗粒也持续存在，形成了黄道带尘埃。在特别黑暗的天空下，日落之后或日出之前，阳光被这些尘埃散射后，可以看到一种被称为黄道光的微弱辉光。
对于从远处研究我们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，在碎片盘生命的大约前5000万年，类似年轻系统周围的尘埃结构应该是可见的。捕捉这些图像极具挑战性。这项任务被比作在几公里外拍摄一个位于刺眼体育场泛光灯旁的薄薄烟圈。SPHERE于2014年春季开始在ESO的一台甚大望远镜上运行，正是为此类情况而专门设计的。
SPHERE如何遮挡星光以揭示微弱特征
SPHERE背后的基本理念在日常生活中很常见。如果阳光直射你的眼睛，你可能会抬起手来遮挡眩光，以便看清周围的事物。在对系外行星或碎片盘成像时，SPHERE使用日冕仪来实现同样的效果。通过在星光路径中插入一个小圆盘，该仪器在图像被捕获之前阻挡了大部分眩光。这种方法只有在光学系统保持极其稳定和精确的情况下才有效。
为了保持这种稳定性，SPHERE依赖于一个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持续监测这些畸变，并使用可变形镜实时校正它们。一个可选组件还可以分离“偏振光”，这是尘埃反射而非恒星直接发射的光的特征。这种额外的过滤增强了SPHERE探测微弱碎片盘的能力。
一项大型巡天揭示了51个碎片盘的清晰细节
这项新研究展示了一套独特的碎片盘图像集，这些图像是通过分析微小尘埃粒子散射的星光而创建的。“为了获得这个图像集，我们处理了对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碎片盘，”该研究的主要作者娜塔莉亚·恩格勒（Natalia Engler）（苏黎世联邦理工学院）说。“生成的图像显示了51个碎片盘，它们具有多种特性——有些较小，有些较大，有些是侧面视角，有些几乎是正面视角——并且盘状结构具有相当大的多样性。其中有四个盘是首次被成像。”
处理如此大的样本使得寻找更广泛的模式成为可能。分析揭示，质量更大的年轻恒星往往拥有质量更大的碎片盘。尘埃集中在距离恒星更远位置的系统也显示出拥有更大质量盘的倾向。
环、带和隐藏行星的线索
SPHERE成果中最引人注目的方面之一是盘内结构的广泛多样性。许多显示出环状或带状图案，物质聚集在距离恒星特定的距离上。这种排列类似于我们自己的太阳系，那里的小天体聚集在小行星带（小行星）和柯伊伯带（彗星）。
人们认为这些结构是由行星塑造的，特别是那些在轨道运行时清理出路径的大型行星。其中一些相关的行星已经被探测到。在其他情况下，盘中锐利的边缘或不对称性强烈暗示着尚未被直接观测到的行星的存在。正因如此，SPHERE巡天为未来的观测设施提供了一套有价值的目标。詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）上的仪器以及ESO正在建造的极大望远镜（ELT）上的仪器，应该能够直接对至少一些正在雕刻这些尘埃环和间隙的行星进行成像。
研究作者及发表详情
此处描述的结果已作为娜塔莉亚·恩格勒（Natalia Engler）等人的论文“用SPHERE观测的碎片盘表征”发表在《天文学与天体物理学》期刊上。
参与的MPIA研究人员包括加埃尔·肖万（Gaël Chauvin）、托马斯·亨宁（Thomas Henning）、萨曼莎·布朗（Samantha Brown）、马蒂亚斯·萨姆兰（Matthias Samland）和马库斯·费尔特（Markus Feldt），他们与娜塔莉亚·恩格勒（Natalia Engler）（苏黎世联邦理工学院）、朱利安·米利（Julien Milli）（法国国家科学研究中心、格勒诺布尔行星学与天体物理学研究所、格勒诺布尔-阿尔卑斯大学）、妮可·帕韦莱克（Nicole Pawellek）（维也纳大学）、约翰·奥洛夫松（Johan Olofsson）（ESO）、安妮-利斯·迈尔（Anne-Lise Maire）（法国国家科学研究中心、格勒诺布尔行星学与天体物理学研究所、格勒诺布尔-阿尔卑斯大学）等人合作。
