禁忌行星：揭秘未知的外星世界

許林玉/編譯

禁忌行星：揭秘未知的外星世界

許林玉/編譯

系外行星HR 8799 b是一顆超級(jí)木星（從推測(cè)的月亮上看到），繞其恒星運(yùn)行一周需要460年

20年前，當(dāng)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)首顆環(huán)繞常態(tài)恒星運(yùn)行的系外行星時(shí)，心里充滿了喜悅，同時(shí)又困惑不已。該行星被命名為飛馬座51 b，質(zhì)量有木星的一半。但其軌道周期僅為4天，遠(yuǎn)低于水星軌道的88天，因此難以靠近其恒星。研究行星形成的理論學(xué)家無法論證如此巨大的行星能夠在一個(gè)新生恒星周圍的緊密軌道中形成，因此將其視為“異類”。但在搜尋行星的過程中，科學(xué)家很快又發(fā)現(xiàn)了更多的“熱木星”，這些行星也很怪異：有的行星軌道拉長而且高度傾斜，有的行星甚至繞其恒星倒退運(yùn)行——與其恒星的運(yùn)轉(zhuǎn)方向背道而馳。

2009年，美國國家航空航天局發(fā)射了開普勒行星探測(cè)器。它所發(fā)現(xiàn)的2 500個(gè)星球?yàn)檠芯肯低庑行翘峁┝酥匾慕y(tǒng)計(jì)學(xué)依據(jù)——也讓人感到更加困惑。開普勒發(fā)現(xiàn)，該星系中最常見的一種行星是大小介于地球和海王星之間的“超級(jí)地球”——它與太陽系中的行星完全不同，并被認(rèn)為幾乎是不可能形成的。如今，陸基望遠(yuǎn)鏡正聚集直接源自系外行星的光，而不是像開普勒那樣間接探測(cè)它們的存在。此外，這些望遠(yuǎn)鏡也發(fā)現(xiàn)了異常情況。它們發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量比木星大數(shù)倍的巨行星，其運(yùn)行軌道與其恒星的距離是海王星距離太陽的2倍多——這是理論學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為不可能誕生大行星的另一個(gè)區(qū)域。其他行星系看上去也與太陽系完全不同，這對(duì)曾經(jīng)用于解釋太陽系的舊理論提出了挑戰(zhàn)。

自然比我們的理論更聰明

“顯而易見，事情從一開始就不相匹配，”斯坦福大學(xué)物理學(xué)家布魯斯·麥金托什(Bruce Macin tosh)表示，“歷史上從未有哪個(gè)時(shí)刻，理論能夠跟上觀測(cè)的步伐。”

理論家們正努力跟上，構(gòu)建出能夠在曾被視為禁區(qū)的地方誕生此前認(rèn)為不可能形成的行星的環(huán)境。他們?cè)谠O(shè)想行星如何形成于比之前預(yù)期的更加動(dòng)蕩和混亂的環(huán)境中，其中的新生行星能夠離開寬軌道漂移至狹窄軌道，或被其他行星或經(jīng)過的恒星彈入細(xì)長的或不規(guī)則的路徑。但隨著更多系外行星的不斷發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)者認(rèn)為，即便是新模型也是暫時(shí)的。“這種情況就像淘金熱那樣，你每天都會(huì)有新的發(fā)現(xiàn)。”德國海德堡馬克斯·普朗克天文研究所的天體物理學(xué)家托馬斯·亨寧(Thomas Henning)說道。

恒星與其行星形成的傳統(tǒng)模型可追溯到18世紀(jì)。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家認(rèn)為，緩慢旋轉(zhuǎn)的塵埃和氣體可能在自身引力作用下坍塌。其中的大部分物質(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)點(diǎn)燃成為恒星。引力和角動(dòng)量將原恒星周圍的其余物質(zhì)聚集成一個(gè)扁平的盤狀結(jié)構(gòu)。塵埃是將該盤狀結(jié)構(gòu)變成一系列行星的關(guān)鍵。這些塵埃由微小的鐵粒和其他固體物質(zhì)組成，只占盤狀結(jié)構(gòu)質(zhì)量的一小部分。由于它們會(huì)在動(dòng)蕩的盤狀結(jié)構(gòu)中旋轉(zhuǎn)，這些微粒偶爾會(huì)發(fā)生碰撞，并在電磁力的作用下結(jié)合在一起。經(jīng)過數(shù)百萬年之后，塵埃會(huì)逐漸積聚成谷粒、鵝卵石和巨礫大小，最終形成寬度達(dá)數(shù)千米的星子。

此時(shí)，引力開始發(fā)揮作用。它將其他星子積聚起來，并吸附塵埃和氣體，直至形成行星大小的天體。當(dāng)這一切在盤狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生時(shí)，大部分氣體被剝離——要么被恒星吞噬，要么被恒星風(fēng)吹走。氣體的缺乏意味著內(nèi)行星仍然主要由巖石構(gòu)成，周圍環(huán)繞著稀薄的大氣層。

這種被稱為核心吸積的成長過程在盤狀結(jié)構(gòu)外部繼續(xù)加快，此處的水甚至寒冷到足以結(jié)冰。在這條“雪線”之外，冰成為塵埃的補(bǔ)充物，使原行星能夠更快速地得到鞏固，并形成一個(gè)質(zhì)量為地球5至10倍的固體核心——快到足夠使塵埃保留大量氣體，核心能夠吸收大量氣體，從而形成像木星一樣的氣態(tài)巨行星。（美國國家航空航天局發(fā)射的“朱諾”號(hào)木星探測(cè)器已于2016年8月初抵達(dá)木星，其目標(biāo)之一就是觀測(cè)木星是否真的擁有巨大核心。）

在這種環(huán)境下，會(huì)自然形成一個(gè)與太陽系極其形似的行星系，其中包括大氣稀薄、靠近恒星的巖態(tài)小行星、正好在雪線之外的類木氣態(tài)巨行星、以及在更遠(yuǎn)距離外的其他由于繞其軌道運(yùn)行速度更為緩慢而需要更長時(shí)間積聚物質(zhì)的巨行星。所有行星都大致保持在形成時(shí)的位置，并處于同一平面的圓形軌道上，排列得非常整齊。

但熱木星的發(fā)現(xiàn)表明，這一理論存在嚴(yán)重缺陷。在以天為單位的軌道上運(yùn)行的行星繞其恒星運(yùn)行的時(shí)間極短，這限制了行星形成時(shí)積聚的物質(zhì)數(shù)量。氣態(tài)巨行星居然能在這種地方形成，真是匪夷所思。所以，由此得出的結(jié)論只能是：它肯定形成于更遠(yuǎn)的地方，然后運(yùn)行至當(dāng)前位置。

超級(jí)地球的誕生

理論家們提出了兩種可能拖拽行星的機(jī)制。第一種是遷移理論：當(dāng)氣態(tài)巨行星形成后，需要有足夠的物質(zhì)留在盤狀結(jié)構(gòu)中。行星的引力會(huì)使盤狀結(jié)構(gòu)扭曲，從而形成密度更高的區(qū)域，這些區(qū)域反過來又對(duì)行星造成引力“拖拽”，使其逐漸內(nèi)旋朝恒星漂移。

這一理論已經(jīng)獲得了證據(jù)支持。鄰近的行星通常構(gòu)成被稱作軌道共振的穩(wěn)定引力關(guān)系。當(dāng)這兩顆行星的軌道長度比例為較小的整數(shù)時(shí)，就會(huì)構(gòu)成這種關(guān)系。例如，海王星每運(yùn)行三個(gè)軌道，冥王星繞日運(yùn)行兩次。不太可能在它們形成時(shí)就出現(xiàn)這種情況，所以它們肯定是漂移到了那個(gè)位置，然后因其他穩(wěn)定因素而固定于此。太陽系歷史早期發(fā)生的遷移可以解釋其他奇異現(xiàn)象，包括火星的小尺寸和稀疏、雜亂的小行星帶。為了解釋這種現(xiàn)象，理論學(xué)家借助了一種叫大航向模型(grand tack)的模擬操作。在該模型中，木星在最初形成時(shí)離太陽更近，向內(nèi)漂移至靠近地球軌道的位置后，又再次向外漂移至現(xiàn)在的位置。

一些建模者認(rèn)為，這種環(huán)境過于復(fù)雜。“我相信奧卡姆剃刀。”加州大學(xué)(UC)圣克魯斯分校天文學(xué)家格雷格·勞克林(Greg Laughlin)說道。他認(rèn)為行星更可能在適當(dāng)?shù)奈恢眯纬桑⒘粼谠夭粍?dòng)。如果原行星盤的物質(zhì)比預(yù)計(jì)的更多，巨行星就會(huì)誕生于靠近恒星的地方。一些行星運(yùn)動(dòng)仍會(huì)發(fā)生，這足以解釋共振現(xiàn)象。“這是最后的細(xì)微調(diào)整，而非大規(guī)模傳送。”勞克林說道。

但也有人認(rèn)為，根本不可能有足夠的物質(zhì)形成類似于飛馬座51 b的近距離行星和其他更近的行星。麻省理工學(xué)院物理學(xué)家約書亞·韋恩(Joshua Winn)胸有成竹地說道：“它們不可能就地形成。”位于細(xì)長的傾斜軌道甚至是向后運(yùn)行的軌道上的系外行星看起來似乎存在某種行星拖拽。

對(duì)于這些“異類”，理論學(xué)家提出了引力混戰(zhàn)的概念，認(rèn)為這比平靜的遷移理論更具說服力。質(zhì)量大的盤狀結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生許多互相靠近的行星，引力混戰(zhàn)會(huì)將它們?nèi)尤牒阈恰⑵婀值能壍阑蛉映鱿到y(tǒng)。另一個(gè)潛在的破壞者是位于細(xì)長軌道上的伴星。大多數(shù)時(shí)候，伴星距離遙遠(yuǎn)，因此不會(huì)產(chǎn)生影響，但偶爾會(huì)旋轉(zhuǎn)進(jìn)來制造事端。或者，如果母恒星是致密星團(tuán)的一員，鄰近恒星可能漂移太近并造成嚴(yán)重破壞。韋恩解釋說：“有很多方法可以打破系統(tǒng)。”

然而，開普勒行星探測(cè)器的發(fā)現(xiàn)令人驚訝：60%的類日恒星都有一個(gè)“超級(jí)地球”繞其旋轉(zhuǎn)。這需要一個(gè)全新的理論來進(jìn)行解釋。大多數(shù)超級(jí)地球被認(rèn)為主要有堅(jiān)硬的巖石和金屬以及極少量的氣體構(gòu)成，并循著比地球更狹窄的軌道運(yùn)行。通常情況下，一顆恒星擁有數(shù)個(gè)超級(jí)地球。例如，開普勒-80系統(tǒng)有四顆超級(jí)地球，所有超級(jí)地球的軌道周期均為9天甚至更短。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，內(nèi)部的雪線核心吸積速度太慢，無法產(chǎn)生如此巨大的物體。由于超級(jí)地球很少存在于共振軌道，這表明它們未曾遷移，而是形成于目前所在的位置。

研究人員正在構(gòu)想解決這個(gè)問題的途徑。一種是通過卵石吸積的過程加快吸積速度。在質(zhì)量大的盤狀結(jié)構(gòu)中，氣體會(huì)對(duì)鵝卵石大小的物體產(chǎn)生極大的拖拽。這通常會(huì)令它們減速，使它們向內(nèi)朝恒星漂移。由于旋轉(zhuǎn)速度較慢，如果它們?cè)谕局杏龅叫亲樱蜁?huì)更容易被捕獲，從而加快吸積過程。但吸積速度加快、盤狀結(jié)構(gòu)氣體含量豐富也會(huì)帶來問題：超級(jí)地球一旦超過了一定尺寸，就必須吸入濃厚的大氣。普林斯頓大學(xué)天體物理學(xué)家羅曼·拉菲科夫（Roman Rafikov）提出了一個(gè)問題：“如何使它們不致成為氣態(tài)巨行星？”

加州大學(xué)伯克利分校天文學(xué)家尤金·蔣(Eugene Chiang)認(rèn)為，只要盤狀結(jié)構(gòu)的固體含量高而氣體含量低，就沒有必要加速吸積，而在密度比形成太陽系的盤狀結(jié)構(gòu)大10倍的內(nèi)部盤狀結(jié)構(gòu)中，很容易誕生一個(gè)或多個(gè)超級(jí)地球。他說，當(dāng)大部分氣體消散后，盤狀結(jié)構(gòu)也會(huì)消失，此時(shí)形成的超級(jí)地球無需吸積過多的殘余氣體。

金牛座HL原行星盤圖像，行星是在這些縫隙中形成的嗎

位于智利北部、即將完工的國際設(shè)備阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米陣列望遠(yuǎn)鏡(ALMA)早期的一些發(fā)現(xiàn)為這一設(shè)想提供了佐證。ALMA可繪制盤狀結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度較高的塵埃和碎石的電波發(fā)射圖。迄今為止，它只是對(duì)少量盤狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，而這些盤狀結(jié)構(gòu)似乎都相對(duì)龐大。但觀測(cè)結(jié)果還不是確鑿的證據(jù)，因?yàn)锳LMA尚未全面運(yùn)作，它只能觀測(cè)盤狀結(jié)構(gòu)的外層部分，而無法觀測(cè)超級(jí)地球所在的區(qū)域。蔣說：“靠近，這就是技巧所在。”當(dāng)ALMA的所有66根天線都運(yùn)作起來，它或許會(huì)帶來新的發(fā)現(xiàn)。

蔣還對(duì)開普勒行星探測(cè)器的另一個(gè)發(fā)現(xiàn)超級(jí)松軟行星進(jìn)行了解釋：這是一組罕見但同樣懸而未決的行星，其質(zhì)量比超級(jí)地球小，但看起來巨大無比，其中氣體占其質(zhì)量的20%。這類行星被認(rèn)為形成于氣體含量豐富的盤狀結(jié)構(gòu)中。但在盤狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部，溫度較高的氣體會(huì)與行星的微弱引力相抗衡，所以盤狀結(jié)構(gòu)外部的寒冷而密集的氣體更像是子宮。蔣用遷移理論來解釋它們的接近軌道——超級(jí)松軟行星通常分布于共振軌道這一事實(shí)詮釋了這一概念。

關(guān)于系外行星研究，目前大多數(shù)都集中在行星系統(tǒng)內(nèi)部，其范圍大約相當(dāng)于木星軌道的距離。原因很簡單，就是因?yàn)楝F(xiàn)有的探測(cè)方法只能看到那么遠(yuǎn)。兩種主要方法——測(cè)量因繞軌道運(yùn)行行星的引力拖拽引起的恒星擺動(dòng)和測(cè)量恒星在行星運(yùn)行至前方時(shí)的周期性變暗——都傾向于利用靠近恒星的軌道上的大行星。為這些行星成像極其困難，因?yàn)樗鼈兾⑷醯墓饩€幾乎淹沒在恒星的眩光之中，后者可能比前者亮十億倍。

但通過擴(kuò)展世界上最大的望遠(yuǎn)鏡的極限，天文學(xué)家們直接觀測(cè)到了少量行星。在過去的數(shù)年中，專為觀測(cè)系外行星而設(shè)計(jì)的兩部新儀器投入使用。歐洲的光譜偏振高對(duì)比度系外行星探測(cè)儀(SPHERE)和美國的雙子座行星成像儀(GPI)被連接至位于智利的大型望遠(yuǎn)鏡上，利用日冕儀這種復(fù)雜的遮蔽物來遮擋恒星的光線。不出所料，遠(yuǎn)離其恒星的行星是最簡單的目標(biāo)。

通過直接成像找到的最簡單也最令人震驚的系統(tǒng)之一是環(huán)繞HR 8799恒星運(yùn)行的系統(tǒng)，其中四顆行星的軌道有的大于木星，有的是海王星至太陽距離的二倍多。最令人驚訝的是，這四顆行星均巨大無比，質(zhì)量是木星的五倍以上。根據(jù)現(xiàn)有理論，在如此遙遠(yuǎn)的軌道上的行星運(yùn)動(dòng)速度非常緩慢，它們應(yīng)該在盤狀結(jié)構(gòu)消失前緩慢成長，且質(zhì)量遠(yuǎn)低于木星。然而，這些行星漂亮的圓軌道表明，它們并非從更接近其母星的地方急行至此。

這類遙遠(yuǎn)的巨行星的存在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)理論提出了最有力的挑戰(zhàn)：一些行星并非形成于核心吸積，而是形成于一個(gè)被稱作引力不穩(wěn)定的過程。該過程需要有一個(gè)大氣豐富的原行星盤，它能夠在自身引力作用下崩塌并形成團(tuán)簇。隨著時(shí)間的推移，這些氣團(tuán)無需首先形成固體核心就能直接崩裂成巨行星。模型表明，這種機(jī)制只有在特定情況下才能發(fā)揮作用：氣體寒冷，不能旋轉(zhuǎn)太快，收縮氣體必須能夠有效散發(fā)熱量。這能夠解釋HR 8799的行星成因嗎？拉菲科夫介紹說，只有外部的兩顆行星足夠遙遠(yuǎn)和寒冷。他補(bǔ)充道：“它仍然是一個(gè)相當(dāng)令人費(fèi)解的系統(tǒng)。”

在過去，射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)原行星盤進(jìn)行的觀測(cè)在一定程度上證明了引力不穩(wěn)定這一現(xiàn)象的存在。由于射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)寒冷氣體較為敏感，因此能夠觀測(cè)到盤狀結(jié)構(gòu)帶有少量散亂的不對(duì)稱氣團(tuán)。但ALMA最近獲得的圖像顯示的又是另外一番景象。ALMA對(duì)來自盤狀結(jié)構(gòu)中平面上的塵埃顆粒的較短波長更為敏感，它在2014年拍攝的金牛座HL圖像和今年拍攝的長蛇座TW圖像均顯示有光滑的對(duì)稱盤狀結(jié)構(gòu)，該盤狀結(jié)構(gòu)內(nèi)有黑暗的圓形“縫隙”，一直延伸至類似海王星軌道的軌道之外。“這真是一個(gè)巨大驚喜。盤狀結(jié)構(gòu)不是一盤散沙，而是一個(gè)規(guī)整的漂亮結(jié)構(gòu)。”拉菲科夫說道。這些圖像表明，行星在通過核心吸積的方式成長時(shí)，已經(jīng)將軌道中的其他物體清除干凈，這對(duì)提供引力不穩(wěn)定說的理論學(xué)家來說是一大打擊。

要預(yù)測(cè)GPI和SPHERE在外太空搜索行星系統(tǒng)時(shí)還可能會(huì)有哪些驚人發(fā)現(xiàn)為時(shí)尚早。但那些偏遠(yuǎn)行星之間的區(qū)域以及熱木星和超級(jí)地球的臨近區(qū)域仍然遙不可及：要么離恒星太近而無法直接成像，要么離恒星太遠(yuǎn)而無法使用，需依賴于恒星閃爍或變暗的間接技術(shù)。因此，理論學(xué)家很難獲得有關(guān)系外行星的完整圖片。“我們的結(jié)論所依據(jù)的是斷斷續(xù)續(xù)和不完整的觀測(cè)。”勞克林說道，“現(xiàn)在，所有人都可能錯(cuò)。”

再過不久，天文學(xué)家就可獲取更精確的數(shù)據(jù)。明年，美國國家航空航天局將發(fā)射凌日外行星探測(cè)衛(wèi)星(TESS)；后年，歐洲航天局(ESA)預(yù)計(jì)將發(fā)射基奧普斯系外行星表征衛(wèi)星(CHEOPS)。與探測(cè)大量恒星以獲取大量系外行星資料不同，TESS和CHEOPS將重點(diǎn)關(guān)注靠近地球的明亮類日恒星，使研究人員能夠探索未知的中間軌道領(lǐng)域。因?yàn)槟繕?biāo)恒星較近，陸基望遠(yuǎn)鏡可以測(cè)出其行星的質(zhì)量，使研究人員計(jì)算出能夠表明行星是由巖石還是氣體組成的密度。

計(jì)劃于2018年發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將能進(jìn)一步進(jìn)行探測(cè)，對(duì)經(jīng)過系外行星大氣層的星光進(jìn)行分析，以確定其組成成分。麥金托什說：“組成成分是了解行星形成的重要線索。”例如，在超級(jí)地球的大氣層中發(fā)現(xiàn)更重的元素表明，要快速形成行星核心必須具有富含這些元素的盤狀結(jié)構(gòu)。未來十年，美國國家航空航天局的大視場(chǎng)紅外巡天望遠(yuǎn)鏡和歐洲宇航局的行星凌日和振蕩等航天器以及鏡面有30米寬以上的新一代巨型陸基望遠(yuǎn)鏡將加入搜索的行列。

即便過去的經(jīng)驗(yàn)靠得住，建模者也必須小心翼翼。“自然比我們的理論更聰明。”拉菲科夫說道。

[資料來源：Science][責(zé)任編輯：岳峰]