探测系外行星大气成分(想象图)。图片来源: Futselaar
我们赖以生存的星球从何而来?这个问题一直在吸引着人类不断探索。
从太阳系的视角出发，科学家们初步构建起了行星形成的图景：分子云中的致密区域，由于自身引力塌缩形成恒星，而其周围的气体与尘埃则在角动量的作用下形成盘状结构，即原行星盘(protoplanetary disk，图1)。
图1：大型毫米波阵列ALMA观测下的 PDS 70恒星系统，显示了原行星盘以及其中正在诞生的行星。图片来源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Benisty
在这一过程中，微米尺度的尘埃颗粒相互碰撞、聚合，形成厘米至公里大小的固体团块(pebble/planetesimal)，并进一步生长成为行星胚胎或气态巨行星的内核。行星胚胎继续碰撞合并，形成类地行星的雏形。当行星胚胎质量足够大时，它们开始迅速吸积气体，从而形成类木行星。尽管一些细节尚未明晰，但这一核吸积模型(core accretion)有效地解释了太阳系形成的大致过程。
系外行星的多样性与行星形成
我们身处的银河系中有千亿颗与太阳相似的恒星，它们周围是否也存在着同我们太阳系类似的行星系统，甚至另一个地球?它们又是如何形成的?那里是否孕育了生命?尽管几个世纪以来一直有关于太阳系外行星(exoplanet)和外星生命的猜测，但直到三十年前第一颗系外行星的发现，天文学家才得以一窥太阳系之外多样的世界。系外行星研究的飞速进展使得这一切不再仅存在于科幻作家的幻想中。
迄今为止，已有超过五千个系外行星得到确认，并有一万多个候选体有待证实。而最为出乎意料的是，这些系外行星与太阳系内的行星大相径庭(图2)——有些围绕宿主恒星极近(轨道半径不及太阳与水星距离的十分之一)，有些质量极大(可达木星质量的十倍之多)、距离恒星极远(轨道半径数百倍于日地距离)……
面对如此丰富多样的系外行星系统，传统的行星形成理论面临着前所未有的挑战与新的视角。例如，自下而上的吸积模型在解释大质量气态巨行星的形成方面便遇到了难题——原行星盘内尘埃演化的时间尺度难以给大质量行星生长提供足够的时间。这因而激发了研究者们对其他行星形成模型的兴趣(图3)，如自上而下的引力不稳定性(Gravitational instability)，分子云分裂(cloud fragmentation)等。如何利用对系外行星的观测来追溯行星形成机制与演化历史，便是当今天文系的前沿主题之一。
图2：已知系外行星的质量和轨道半径分布图。数据点的颜色代表不同的探测手段，黑色字母标识出太阳系内行星的位置。数据来源：exoplanetarchive.ipac.caltech.edu
图3：气态巨行星形成模型简要示意图， 包括如自上而下的分子云分裂(cloud fragmentation)，引力不稳定性(gravitational instability)，以及自下而上的核吸积(core accretion)模型。
行星大气——行星形成与演化的活化石
揭示行星形成的一个重要观测途径，是探测行星大气的化学组成。大气中碳和氧元素的相对丰度(C/O)提供了关于行星形成机制的宝贵线索。这是因为，原行星盘内不同位置的温度随着半径的增加而降低，携带着碳和氧元素的气体分子如二氧化碳、水、一氧化碳会依次冻结到尘埃颗粒表面，由气相转变为固相，从而改变盘内气体和固体中的C/O相对丰度，使其随温度梯度(抑或是距中心恒星的距离)而变化。因此，在原行星盘内不同距离形成的行星，其大气中的元素丰度将显示出不同的特征，从而帮助我们限定行星形成的路径与位置。
在这一方面，气态巨行星是理想的研究对象。由于质量足够大，它能保持从原行星盘内吸积的原始大气成分，可称得上是研究行星形成的“活化石”。
而近来对于原行星盘和行星形成的研究表明，仅仅利用C/O相对丰度作为单一的探测指标还远不能揭示行星形成的全貌，其中诸多复杂的因素环环相扣，使得通过观测行星大气来追溯其形成历史变得具有挑战性。这些因素包括原行星盘的精细结构、盘内化学成分和尘埃颗粒的演化、行星在盘内的迁移、行星内部和包层的演化等等。为了厘清行星形成过程这一缠绕的链条，结合多种可观测量变得至关重要。
应用广泛的同位素
同位素(isotope)是指有着相同质子数、不同中子数的原子。例如，包含6个质子以及6个中子的碳原子是最常见的碳-12，但也有碳原子含有7个或8个中子，称为与碳-13、碳-14。虽然它们的化学性质相近，但各种同位素的形成过程和对环境的反应却不尽相同。因而，同位素被广泛应用于各种研究领域——从癌症、心血管疾病的检测，到气候变化以及化石年龄的推断等。天文学家亦利用同位素来研究恒星与星际介质的演化。
行星科学领域对同位素也有深入的研究，尤其是太阳系天体中同位素丰度比值的测量，为了解太阳系形成与演化提供了有力的线索。例如，太阳系内氢同位素丰度比值(D/H)在不同行星之中有显著差异——海王星这类冰巨行星内的D/H比值是气态巨行星(木星、土星)的两倍，而类地行星大气中的D/H值则较前两者高出一个甚至几个数量级。这是由于在行星形成与演化环境中一系列同位素选择性过程的参与(称为fractionation)，导致同位素比值在不同条件下发生变化。这些差异向我们揭示了不同行星在原行星盘中诞生的位置，形成过程中对气体和固体冰的吸积，甚至类地行星大气逃逸的历史。
探测系外行星大气中的同位素
对于太阳系内同位素比值的测量启发了研究者们对系外行星中同位素的研究兴趣。大气中的各种原子、分子以其独特的方式吸收不同波长的光线。通过观测系外行星的光谱，即光在不同波长的强度，我们可以研究大气的化学成分。
但探测遥远的系外行星大气中的同位素绝非易事。一方面，来自行星大气微弱的光被掩盖在其太阳的光辉中，因而需要利用大型望远镜设备来收集信号(图4)。另一方面，携带稀有同位素的分子含量通常远低于主要同位素，且两者的光谱吸收特征又极为相似，因而要求极高的光谱分辨率来区分它们。
图4：欧洲南方天文台(ESO)于智利建造的甚大望远镜(VLT)，由4台8.2米口径望远镜组成。图片来源：ESO
2021年，研究者们利用欧洲南方天文台(ESO)的甚大望远镜(VLT)，发现在一颗名为YSES-1 b的巨行星大气中两种碳同位素的比例不同寻常。这颗行星距离地球300光年，重量几乎是太阳系木星的14倍，且距离其宿主恒星十分遥远，是日地距离的160多倍。这有助于研究者们通过直接成像获得来自这颗超级木星的光谱信号，而免受宿主恒星的干扰。他们利用不同的近红外光谱吸收信号分辨出12CO和13CO(一氧化碳分子的两种同位素形式)，并测定两者的相对含量。这是天文学家首次实现对遥远系外行星中同位素的观测。
天文学家们预期星际介质中13C和12C的含量比例约为1:70，但这颗行星大气中的13C却较之多一倍。这颗行星大气中13C的“超标”，为揭示其可能的起源过程提供了线索 (图5)。在原行星盘中，随着轨道半径增加，温度降低，碳元素的主要载体——一氧化碳——逐渐凝结成为固态。而同位素的选择性作用致使碳-13比碳-12更易冻结在固体物质表面。这些固体物质被诞生于此的行星所吸收，造就了如今观测到的富含13C的大气。因此，大气同位素的测量为我们提供了一条回溯行星形成历史的新通道。
图5: 行星形成环境示意图。行星诞生于恒星周围的原行星盘中，一氧化碳CO是碳元素的主要载体。CO雪线代表CO为气态或固态的分割线。位于CO雪线内侧的两颗行星代表太阳系木星和海王星当前的位置，而巨行星YESE-1 b则远位于CO雪线之外。在如此遥远的距离，大部分CO处于固态，同位素的选择性作用使碳-13比碳-12更多地冻结在固态物质表面，成为行星的主要原材料。图片来源：Zhang等(2021)
此后，研究者们利用同样的手段测定了一颗褐矮星(brown dwarf)中的碳同位素比值。这颗褐矮星尽管与超级木星的质量、温度十分相似，但并不围绕恒星运动，因而被认为是像恒星一样自上而下塌缩形成的。有趣的是，褐矮星的碳同位素比值类似于太阳，并不像超级木星那样显著偏离。两者对比之下，显示出同位素在揭示行星形成机制(自下而上的吸积vs自上而下的塌缩)方面的潜力。未来对更大样本的观测研究将帮助我们进一步验证这些猜想。这仅仅是个开始系外行星同位素的测量，为研究系外行星大气与行星形成理论之间的关联开辟了一条新的路径，有望成为补齐行星形成图景的一块关键拼图。如今，天文学家们陆续将同位素观测扩展到更多样化的、不同性质的系外行星系统中，并测量更多不同元素的同位素，如氢、氮、氧等。詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)以及地面大型望远镜也将为系外行星大气成分的准确测量提供广阔的前景，帮助我们向揭秘行星起源更进一步。可以预见的是，研究者们将构建起一个可观的气态巨行星样本，并对其进行大气成分“普查”，以揭示行星形成的普遍规律。行星起源与演化纵然复杂，一点一滴的积累都在添上拼图的局部。我们何其有幸为这一领域的飞速进展作见证与贡献，相信总有一天人类能解锁这幅巨作的全貌。
