系外行星HR 8799 b 圖片來源：NASA/ESA/G. Bacon

 

20年前，當(dāng)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)首個(gè)圍繞標(biāo)準(zhǔn)恒星旋轉(zhuǎn)的系外行星時(shí)，人們十分歡樂卻也不解。這顆名為飛馬座51b的行星約為木星的一半，但其軌道周期為4個(gè)地球日，其軌道與母星的距離比水星與太陽的距離近得多（水星的軌道周期為88個(gè)地球日）。

研究行星構(gòu)造的理論學(xué)家曾認(rèn)為，這樣大小的行星無法發(fā)展出距新生恒星如此緊密的軌道范圍，因此被認(rèn)為是一種異常現(xiàn)象。但很快，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了更多“熱木星”（如巨蟹座55和牧夫座T），這迫使天文學(xué)家開始研究行星的軌道遷移現(xiàn)象并修改之前的行星形成理論。

2009年，美國(guó)宇航局（NASA）發(fā)射開普勒行星探測(cè)器，行星“狩獵”加速推進(jìn)。“開普勒”發(fā)現(xiàn)，銀河系中最常見的行星類型是大小介于地球和海王星之間的“超級(jí)地球”，它與太陽系完全不同，并被認(rèn)為是幾乎不可能形成的。

現(xiàn)在，陸基望遠(yuǎn)鏡正匯聚直接來自系外行星的光，而非如同開普勒那樣間接尋找它們。而且，這些望遠(yuǎn)鏡也發(fā)現(xiàn)了異常情況。它們發(fā)現(xiàn)比木星大數(shù)倍的巨行星，距離其母恒星的運(yùn)行軌道是海王星距離地球的2倍多，而理論學(xué)家也曾認(rèn)為這個(gè)區(qū)域不可能出現(xiàn)大行星。看上去與太陽系完全不同的另一個(gè)行星系也挑戰(zhàn)了這個(gè)過時(shí)理論。

“很明顯，事情從一開始就幾乎不匹配。從來沒有一個(gè)時(shí)刻，理論能夠追趕上觀測(cè)。”美國(guó)斯坦福大學(xué)物理學(xué)家Bruce Macintosh說。

理論學(xué)家正試著追上來。他們?cè)谠O(shè)想行星如何形成于比之前預(yù)期的更可移動(dòng)和混亂的環(huán)境中。初生行星離開之前廣闊的空間進(jìn)入狹窄軌道，或被其他行星彈入細(xì)長(zhǎng)或不規(guī)則的路徑。但隨著不斷發(fā)現(xiàn)更多系外行星，觀察者認(rèn)為，即便是新模型也是暫時(shí)的。“就像淘金熱那樣，你每天都能發(fā)現(xiàn)一些新東西。”德國(guó)馬普學(xué)會(huì)天體物理學(xué)家Thomas Henning說。

7月，一個(gè)國(guó)際天文學(xué)家小組在美國(guó)《天體物理學(xué)雜志增刊》上報(bào)告說，他們分析了開普勒在K2任務(wù)期第一年發(fā)現(xiàn)的197個(gè)行星候選者，結(jié)合設(shè)在夏威夷的北雙子星等地面望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)，確認(rèn)其中104顆是行星。如此一來，人類已確認(rèn)的系外行星已達(dá)到3368顆。

 

傳統(tǒng)模型

行星與其母星的構(gòu)造的傳統(tǒng)模型能追溯到18世紀(jì)。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家認(rèn)為，緩慢旋轉(zhuǎn)的塵埃云可能在自身重力作用下崩塌。大部分物質(zhì)會(huì)形成一個(gè)球體，當(dāng)其核心足夠稠密和熾熱時(shí)，就會(huì)成為一顆恒星。重力和角動(dòng)量會(huì)將原恒星周圍的其他物質(zhì)聚集在一個(gè)平面盤狀物中。而塵埃是將該盤狀物變成一系列行星的關(guān)鍵。塵埃有微小的鐵和其他固體組成，當(dāng)它們?cè)趧?dòng)蕩的盤狀物中旋轉(zhuǎn)時(shí)，這些顆粒偶爾發(fā)生碰撞，并由于電磁力結(jié)合在一起。數(shù)百萬年后，塵埃團(tuán)不斷增大，最后變?yōu)樾亲印?/p>

然后，重力開始扮演重要角色，吸引著其他星子和塵埃等，直到行星大小初具規(guī)模。到這時(shí)，盤狀物內(nèi)部開始發(fā)生變化，大部分氣體被剝離：被恒星吞下或被恒星風(fēng)吹走。氣體的缺乏意味著內(nèi)行星仍然是巨大的巖狀物，周圍包裹著稀疏的大氣。

這個(gè)星體生長(zhǎng)過程被稱為核吸積。由于很多行星“胚胎”存在于如今的小行星帶外側(cè)，那里遠(yuǎn)離初生恒星的光和熱，所以冰能在原行星盤中存在。在這條“雪線”之外，可用來構(gòu)筑行星的冰非常豐富，于是，“胚胎”大快朵頤，生長(zhǎng)出了龐大的身軀。它們產(chǎn)生了實(shí)心內(nèi)核，質(zhì)量是地球的5~10倍。因?yàn)閺?qiáng)大的引力場(chǎng)能快速吸收氣體和塵埃，形成厚厚的大氣層，這個(gè)星體很快就成長(zhǎng)為木星一類的氣體巨行星。

按“劇情”發(fā)展下去，行星系誕生了：具有稀薄大氣層的小巖態(tài)行星靠近恒星，木星等氣體巨行星在雪線以外，在更遠(yuǎn)距離外的其他巨行星逐漸縮小。所有的行星仍然在其出生地附近井然有序。

 

打破常規(guī)

但“熱木星”的發(fā)現(xiàn)改變了這一切。它顯示傳統(tǒng)理論存在嚴(yán)重缺陷。“熱木星”的軌道周期只有幾天，在如此靠近母星的炙熱之地，不可能有冰存在，因而這些氣體巨行星的存在完全相悖于經(jīng)典理論。為了調(diào)和這個(gè)矛盾，理論天文學(xué)家認(rèn)定這些行星首先形成于離恒星更遠(yuǎn)的地方，后來以某種方式向內(nèi)遷移至現(xiàn)在的軌道。

理論學(xué)家目前已提出可能出現(xiàn)的兩種機(jī)制。首先是遷移理論，巨行星形成后，大量物質(zhì)被遺留在盤狀物中。行星的重力會(huì)扭曲盤狀物，產(chǎn)生高密度區(qū)域，這反過來又將其慢慢拽向母恒星。

但也有科學(xué)家認(rèn)為相關(guān)情況過于復(fù)雜。加州大學(xué)圣克魯茲分校天文學(xué)家Greg Laughlin 說：“我相信奧卡姆剃刀。”（14世紀(jì)邏輯學(xué)家、圣方濟(jì)各會(huì)修士奧卡姆的威廉提出，他在《箴言書注》2卷15題說“切勿浪費(fèi)較多東西去做用較少的東西同樣可以做好的事情”。）

Laughlin認(rèn)為，行星更可能在適當(dāng)?shù)奈恢眯纬桑⒘粼谠夭粍?dòng)。如果原行星盤有比之前預(yù)計(jì)的多的物質(zhì)，巨行星就會(huì)誕生于靠近母星的地方。一些行星運(yùn)動(dòng)仍會(huì)發(fā)生——這足以解釋共振態(tài)等，但“這主要是微弱的調(diào)整，而非大規(guī)模傳送”。

但也有人認(rèn)為該理論過于簡(jiǎn)單，無法解釋飛馬座51b等星體的形成。“它們不是就地形成的。”麻省理工學(xué)院物理學(xué)家Joshua Winn說。對(duì)于這些“異類”，理論學(xué)家認(rèn)為“重力混戰(zhàn)”比安靜遷移更能說明問題。

軌道緊密排列的巨行星仍處于共振狀態(tài)，并受到遙遠(yuǎn)冰質(zhì)星子微弱的引力作用。事實(shí)上它們的軌道猶如在刀鋒上行走，隨時(shí)可能跌落。外部星子的每次輕微拖曳都微妙地改變著它們的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)一顆巨行星脫離與另一顆的共振時(shí)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)便會(huì)來臨，平衡狀態(tài)瓦解、一系列混亂的行星間攝動(dòng)開始了。攝動(dòng)是如此劇烈，以至于有一顆甚至多顆巨行星被散射至恒星際空間。

Winn指出，實(shí)際上，“打破一個(gè)系統(tǒng)的方法有很多”。

 

超級(jí)地球

“開普勒”發(fā)現(xiàn)，60%類似太陽的恒星都被一個(gè)超級(jí)地球圍繞。NASA天體生物學(xué)研究所的Nader Haghighipour介紹：超級(jí)地球目前在宇宙空間的一些天區(qū)的特殊地方被發(fā)現(xiàn)。

在體積上，超級(jí)地球比典型的類地行星要大，還具有與地球相似的物理和其他動(dòng)力學(xué)特性，所以也相對(duì)容易被探測(cè)到。

實(shí)際上，這些行星的軌道周期比日地軌道周期更短，并且一顆恒星通常有數(shù)個(gè)超級(jí)地球。以開普勒-80系統(tǒng)為例，其中有4顆超級(jí)地球，其軌道周期為9天甚至更短。由于超級(jí)地球很少存在于共振軌道，因此表明它們未曾遷移，正是形成于目前的位置。

去年，NASA宣布，天文學(xué)家通過開普勒太空望遠(yuǎn)鏡確認(rèn)在宜居帶發(fā)現(xiàn)第一顆與地球大小相似、圍繞類似太陽的恒星運(yùn)行的太陽系外行星（開普勒－452ｂ）。它比地球大60%，公轉(zhuǎn)周期為385天，只比地球公轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)5%。其母星也與太陽相似，但“年齡”為60億歲，與太陽的溫度類似，質(zhì)量比太陽大4%。

天文學(xué)家也曾借助開普勒望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一顆和地球體積近似、位于宜居帶中的系外行星開普勒－186ｆ。不過，由于它環(huán)繞一顆紅矮星，因此只是地球的“堂兄弟”。

為了更好地研究宇宙，歐洲的光譜極化高對(duì)比度系外行星研究（SPHERE）和美國(guó)的雙子座行星成像儀（GPI）已經(jīng)被安裝到位于智利的大型望遠(yuǎn)鏡上。不出意外，更遙遠(yuǎn)的行星將能更容易地被定位。

現(xiàn)在預(yù)測(cè)GPI和SPHERE能找到什么為時(shí)尚早。但熱木星和超級(jí)地球都由于距離母恒星過近而無法直接成像，而又因距地球過遠(yuǎn)而不能依靠間接技術(shù)進(jìn)行分析。“我們的數(shù)據(jù)斷斷續(xù)續(xù)且觀察并不完整。”Laughlin說，“現(xiàn)在，也許大家都是錯(cuò)的。”

即便過去的經(jīng)驗(yàn)?zāi)芸康米。Ｕ呷詰?yīng)該小心翼翼。“自然比我們的理論更聰明。”

 

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20年前，當(dāng)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)首個(gè)圍繞標(biāo)準(zhǔn)恒星旋轉(zhuǎn)的系外行星時(shí)，人們十分歡樂卻也不解。去年，NASA宣布，天文學(xué)家通過開普勒太空望遠(yuǎn)鏡確認(rèn)在宜居帶發(fā)現(xiàn)第一顆與地球大小相似、圍繞類似太陽的恒星運(yùn)行的太陽系外行星（開普勒－452ｂ）。