打破禁忌的外星世界

外行星HR 8799 b的照片:美国航天局/欧空局/g培根

20年前，当天文学家发现第一颗围绕标准恒星运行的系外行星时，人们非常高兴，但也感到困惑。这颗名为飞马座51b的行星大约是木星的一半，但是它的轨道周期是4个地球日，而且它的轨道比水星离太阳更近(水星的轨道周期是88个地球日)。

研究行星结构的理论家们曾经认为，这种大小的行星不可能从新生恒星发展出如此狭窄的轨道范围，因此被认为是一种异常现象。但是很快，科学家们发现了更多的“热木星”(如巨蟹座55号和丈夫T)，这迫使天文学家们研究行星的轨道迁移，并修正了以前的行星形成理论。

2009年，美国宇航局发射了开普勒行星探测器，行星“狩猎”加速。开普勒发现银河系中最常见的行星类型是地球和海王星之间的“超级地球”，它与太阳系完全不同，被认为几乎不可能形成。

现在，陆基望远镜直接从系外行星收集光线，而不是像开普勒那样间接寻找它们。此外，这些望远镜还发现了异常情况。他们发现了比木星大几倍的巨型行星，其轨道距离母星的距离是距离地球的海王星的两倍多，理论家们曾经认为在这个区域不可能有巨型行星。另一个看起来完全不同于太阳系的行星系统也挑战了这个过时的理论。

“显然，事情从一开始就很难匹配。理论永远无法赶上观察。”斯坦福大学的物理学家布鲁斯·麦金托什说。

理论家们正在努力追赶。他们正在想象行星是如何在一个比先前预期更为流动和混乱的环境中形成的。在主行星离开之前，广阔的空间进入一个狭窄的轨道，或者被其他行星弹入一条细长或不规则的轨道。但是随着越来越多的系外行星被发现，观察家们认为即使是新的模型也是暂时的。"就像淘金热一样，你每天都能找到新的东西."德国马克斯·普朗克研究所的天体物理学家托马斯·亨宁说。

今年7月，一个国际天文学家团队在《美国天体物理学杂志增刊》上报道称，他们分析了开普勒在K2任务第一年发现的197颗候选行星，并根据夏威夷北双子座等地面望远镜的观测结果确认其中104颗是行星。结果，人类确认的系外行星的数量达到了3368颗。

传统模式

行星及其母星结构的传统模型可以追溯到18世纪。当时，科学家认为缓慢旋转的尘埃云可能会在自身重力的作用下坍塌。大多数物质形成一个球体，当它的核心足够致密和热时，它就变成了一颗恒星。重力和角动量会将原恒星周围的其他物质聚集成一个扁平的圆盘。灰尘是将圆盘转变成一系列行星的关键。灰尘由微小的铁和其他固体组成。当它们在湍流盘中旋转时，这些粒子偶尔会碰撞，并被电磁力束缚在一起。数百万年后，尘埃云继续增长，最终成为小行星。

然后，重力开始发挥重要作用，吸引其他星子和尘埃等。，直到行星的大小成形。这时，圆盘内部开始发生变化，大部分气体被剥离:被恒星吞噬或被恒星风吹走。气体的缺乏意味着内行星仍然是被稀疏大气包围的巨大岩石。

这种恒星生长过程被称为核增生。由于今天许多行星“胚胎”存在于小行星带之外，远离新生恒星的光和热，冰可以存在于原行星盘中。在这条“雪线”之外，可以用来建造行星的冰非常丰富，所以“胚胎”吞噬并成长为一个巨大的身体。它们产生的固体核心质量是地球的5到10倍。因为强大的引力场可以迅速吸收气体和尘埃形成厚厚的大气层，这颗恒星将很快成长为像木星一样的气态巨行星。

根据“情节”发展，行星系统诞生了:大气稀薄的小岩石行星靠近恒星，气体巨行星如木星在雪线之外，而其他更远的巨型行星正在逐渐缩小。所有的行星在它们的诞生地附近仍然秩序井然。

打破常规

但是“热木星”的发现改变了这一切。这表明传统理论存在严重缺陷。“热木星”的轨道周期只有几天，在靠近母星的这么热的地方不可能有冰，所以这些气体巨星的存在完全违背了经典理论。为了调和这一矛盾，理论天文学家认为这些行星首先在远离恒星的地方形成，然后以某种方式向内迁移到它们当前的轨道。

目前，理论家们提出了两种可能的机制。首先是迁移理论。巨型行星形成后，大量的物质留在了盘中。这颗行星的引力扭曲了圆盘，产生了高密度区域，这反过来又将它慢慢拉向母星。

但是一些科学家认为情况太复杂了。加州大学圣克鲁斯分校的天文学家格雷格·拉夫林说:“我相信奥卡姆剃刀。”(14世纪逻辑学家圣弗朗西斯·蒙克·奥卡姆的威廉在《箴言》第2卷第15篇中提出，“不要浪费更多的时间去做那些用更少的时间就能完成的事情。”)

拉夫林认为行星更有可能在正确的地方形成，并停留在原地。如果最初的圆盘比先前预期的有更多的物质，这颗巨大的行星将会诞生在母星附近。一些行星运动仍然会发生——这足以解释共振状态，等等。，但“这主要是一种微弱的调整，而不是大规模的传递”。

然而，有些人认为这个理论过于简单，无法解释像飞马座51b这样的恒星的形成。"它们不是在原位形成的。"麻省理工学院的物理学家约书亚·温说。对于这些“差异性”，理论家认为“重力混战”比安静的迁移更能说明问题。

轨道紧密排列的大行星仍然处于共振状态，并受到来自遥远的冰行星的微弱引力。事实上，它们的足迹就像是在刀刃上行走，随时都可能掉下来。外部星子的每一点轻微拖曳都会微妙地改变它们的运动。当一颗巨大的行星与另一颗脱离共振时，转折点就会到来，平衡状态就会瓦解，一系列混乱的行星扰动就会开始。扰动如此剧烈，以至于一颗或多颗巨大的行星分散到星际空间中。

温指出，事实上，“有许多方法可以打破一个系统。”

超级地球

开普勒发现60%的类太阳恒星被超级地球包围。美国宇航局天体生物学研究所的纳德·海格立波尔说:“超级地球目前被发现于太空某些天体区域的特殊位置。

就体积而言，超地球比典型的类地行星大，并且具有与地球相似的物理和其他动力学特征，因此相对容易被探测到。

事实上，这些行星的轨道比太阳和地球的轨道短，一颗恒星通常有几个超级地球。以开普勒-80系统为例，有4个轨道周期不超过9天的超级地球。由于超地球很少存在于共振轨道中，这表明它们没有迁移，而是在它们当前的位置形成的。

去年，美国宇航局宣布，天文学家通过开普勒任务证实了第一颗太阳系外行星(开普勒-452b)的发现，这颗行星的大小与地球相似，并在可居住区围绕一颗类太阳恒星运行。它比地球大60%，公转周期为385天，只比地球自转周期长5%。它的母星与太阳相似，但它的“年龄”是60亿岁，与太阳的温度相似，质量比太阳大4%。

天文学家还在开普勒望远镜的帮助下发现了一颗外行星开普勒-186f，它的大小与地球相似，位于一个可居住的区域。然而，因为它围绕着一颗红矮星，所以它只是地球的“表亲”。

为了更好地研究宇宙，在智利的大型望远镜上安装了欧洲球体和美国全球定位系统。毫不奇怪，更远的行星会更容易被定位。

现在预测GPI和SPHERE会发现什么还为时过早。然而，热木星和超级地球都不能直接成像，因为它们离母星太近，也不能用间接技术分析，因为它们离地球太远。"我们的数据是断断续续的，我们的观察是不完整的."“现在，也许每个人都错了，”拉夫林说。

即使可以依赖过去的经验，建模者仍然应该小心。"自然比我们的理论更聪明。"(张张)

《中国科学报》(2016-08-25，第三版国际版)

阅读更多

科学相关报道