理解原行星盘——这颗“行星摇篮”的精细结构，是揭示行星形成奥秘的关键。在盘中，尘埃颗粒的垂直沉降是形成行星的第一步，但对其厚度（即尺度高度）在盘内不同区域的精确测量，一直是观测上的难题。近日，一项基于阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）超高分辨率偏振观测的研究，首次成功绘制了著名原行星盘HL Tau中尘埃颗粒的径向尺度高度剖面，揭示了从内到外由“厚”变“薄”的惊人结构，为理解行星诞生地的物理环境提供了前所未有的清晰图景。

该研究成果以《利用尘埃自散射探测的HL Tau盘中尘埃颗粒的详细径向尺度高度剖面》为题，于2025年8月20日发表于国际顶级天体物理期刊《天体物理学报快报》（ApJL 989, L43）。论文第一作者兼通讯作者为浙江大学物理学系天文学研究所的杨海峰研究员，合作者包括来自美国、阿根廷等多国研究机构的学者。

研究团队对ALMA获得的高分辨率偏振图像进行了深入分析与建模，重点关注由尘埃颗粒散射自身辐射所产生的偏振信号。他们发现，HL Tau盘呈现出鲜明的三区结构：

内盘湍流汹涌： 距离中心恒星约10天文单位（au）以内的区域，偏振强度表现出显著的“近边亮、远边暗”的不对称性。这种特征源于一个几何上非常“厚”的尘埃盘，其纵横比（H/R）至少达到0.15，表明内盘存在强烈的湍流，将尘埃持续搅动到高处。

第一环中度增厚： 在距离中心约20 au的第一个明亮尘埃环上，偏振信号呈现出独特的方位角对比——沿盘短轴方向的偏振强于长轴方向。这指示该尘埃环具有中等厚度（H/R ≈ 0.1），是盘内辐射各向异性与倾角效应共同作用的结果。

外盘平坦宁静： 在30 au以外的广大区域，偏振图像对称，近远边不对称性消失。这表明尘埃已充分沉降，形成一个非常薄（H/R < 0.05）的尘埃层，意味着外盘区域的湍流水平极低，环境相对宁静。

颠覆均匀湍流模型： 将这些约束条件整合，研究团队发现，无法用一个恒定的湍流强度参数（α）来描述整个HL Tau盘。相反，湍流水平从外向内急剧增强，需要α值从100 au处的约10⁻⁵跃升至20 au处的约10⁻².⁵。这一接近3个数量级的剧烈变化，挑战了传统上认为原行星盘具有均匀湍流的模型。

这项研究具有重要的科学意义。首先，它表明行星形成的效率可能在盘的内外区存在差异：内盘较厚的尘埃层可能不利于星子快速聚集，而外盘平坦的结构则为行星形成提供了更理想的环境。其次，强烈的径向湍流梯度暗示，驱动湍流的物理机制（如磁不稳定性、盘风等）在盘的内外区发挥着截然不同的作用。最后，该工作展示了高分辨率偏振观测在探测非侧向盘三维结构方面的强大威力，为未来研究更多“行星摇篮”的精细结构开辟了新道路。

研究还指出，观测中残留的一些系统性偏振信号可能源自环形排列的尘埃颗粒，这为后续研究尘埃的磁学或动力学排列机制提供了线索。

该研究得到了国家自然科学基金等项目的支持。

图一 高分辨率HL Tau盘偏振图像

图二  第一个环的在不同尘埃尺度高度(H/R)下辐射转移模拟结果与观测数据的对比。H/R必须至少0.1才能解释观测到的偏振信号分布

图三  尘埃尺度高度（H/R）随盘半径变化的观测约束（灰色区域）与不同湍流模型的预测曲线。实线显示，只有湍流强度（α）向内急剧增加的模型（点划线）才能同时符合所有观测数据