水是地球上生命的基础，也是行星形成的重要环节。然而，水在宇宙中的分布和演化还有许多未知之处。最近，一项国际合作研究利用阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）首次绘制出了一颗年轻恒星周围的原行星盘中水蒸气的详细图像，揭示了水在行星可能正在形成的地方的丰富性和多样性。这一发现为我们理解行星系统的起源和演化提供了新的视角，也为我们寻找宜居世界的可能性提供了新的线索。
原行星盘是围绕年轻恒星的尘埃和气体的旋转圆盘，它们为行星的诞生提供了基本材料。在原行星盘中，尘埃粒子会通过碰撞和粘附逐渐聚集成更大的天体，最终形成行星。原行星盘的物理和化学性质决定了行星的种类和数量，以及行星上是否存在水等关键成分。因此，研究原行星盘的结构和演化对于揭示行星系统的多样性和复杂性至关重要。
然而，原行星盘并不是孤立存在的，它们也受到周围恒星的影响。特别是，大质量恒星的存在会对原行星盘产生巨大的影响。这些恒星的质量大约是太阳的 10 倍，亮度是太阳的 10 万倍，它们发出的强烈紫外线（UV）辐射会对原行星盘造成破坏性的作用。紫外线辐射会加热和电离原行星盘的上层气体，使其逃逸到太空，这就是所谓的“光子驱动的星盘分散”现象。这种现象会导致原行星盘的质量损失，从而影响行星的形成和演化。特别是，如果原行星盘中的气体在行星完全形成之前就被耗尽，那么就很难形成气态巨行星，如木星和土星。
ALMA：窥探水的神奇望远镜
水的发现：一个典型的案例
在 ALMA 的帮助下，一组国际科学家在一颗年轻的类太阳恒星周围的原行星盘中发现了水蒸气的丰富存在。这颗恒星名为 HL 金牛座，它距离地球 450 光年，位于金牛座星座。HL 金牛座是一颗 T 型恒星，它的质量约为太阳的 0.7 倍，表面温度约为 3000 K，年龄约为 100 万年。HL 金牛座的原行星盘的直径约为 200 天文单位（1 天文单位等于地球到太阳的平均距离，约为 1.5 亿公里），质量约为太阳的 0.01 倍。这个原行星盘的特点是它有一个明显的缺口，缺口的半径约为 30 天文单位，缺口的形成可能与一颗或多颗行星的存在有关。
这项研究的结果发表在《自然-天文学》杂志上，显示了 ALMA 对 HL 金牛座原行星盘的水蒸气发射的详细图像。这些图像表明，在原行星盘的内部区域，即距离恒星 10 到 60 天文单位的区域，水蒸气的丰度非常高，约为氢的 0.001 倍。这意味着，在这个区域内，水的总量至少是地球所有海洋的三倍。水蒸气主要分布在原行星盘的上层，而不是在中心平面，这可能是由于紫外线辐射的加热和光解作用。水蒸气的分布也显示出一些不对称性和不规则性，这可能与原行星盘的结构和动力学有关。例如，在缺口的边缘，水蒸气的发射更强，这可能是由于缺口的边缘有更多的尘埃和气体被行星的引力搅动，从而产生更多的水蒸气。除了水蒸气，ALMA 还观测到了其他分子的发射，如 CO 和 CH4。这些分子可以提供原行星盘的其他信息，如温度、密度和化学组成。通过对这些分子的发射进行建模和分析，科学家们可以推断出原行星盘的物理和化学性质，以及它们与水的相互作用。
对行星系统形成的启示
未来，ALMA 将继续观测 HL 金牛座和其他原行星盘，以揭示更多关于水和其他分子的信息，以及它们与行星形成的关系。此外，ALMA 还将与欧洲南方天文台（ESO）的超大望远镜（ELT）进行协同观测，ELT 是一台直径为 39 米的巨型光学望远镜，预计将于 2027 年投入使用。ELT 将能够直接成像 HL 金牛座和其他原行星盘中的行星，以及它们的大气层，从而为我们寻找宜居世界的可能性提供新的线索。特别是，ELT 的中红外成像仪和摄谱仪（METIS）将为天文学家提供无与伦比的行星形成盘内部区域的景象，像地球这样的行星就是在这些区域形成的。
水是连接恒星、行星和生命的纽带，它在宇宙中的分布和演化是天文学的一个重要课题。通过 ALMA 和 ELT 等先进的望远镜，我们有望揭开水的奥秘，以及它对行星系统的形成和演化的影响。也许，我们会在不久的将来发现，水不仅在我们的太阳系中，而且在其他恒星周围也是普遍存在的，甚至可能孕育出不同形式的生命。
