行星形成的具体机制引发争议和困惑

天文学家知道恒星和行星是由星际气体云形成的，但是具体的机制仍然不清楚。

资料来源:Jasiek Krzysztofiak

成千上万个不同于地球的恒星系统的发现解构了我们关于行星形成的想法。天文学家正在寻找一种新理论。

在20世纪90年代中期，有一个理论如此美丽——核心吸积理论。它的美妙之处在于，只有一些基本的物理和化学原理被用来解释太阳系的每一个主要特征。它解释了为什么所有的行星都以相同的方向围绕太阳运行，为什么它们的轨道几乎是完美的圆形，以及为什么四个内行星(水星、金星、地球和火星)是相对较小的致密天体，主要由岩石和铁组成。因为相同的物理和天文原理必须适用于整个宇宙，所以它预测其他恒星周围的任何系外行星系统将大致相同。

20世纪90年代中期，天文学家开始发现这些系外行星，发现它们看起来一点也不像太阳系。木星大小的气体云以非常小的轨道围绕恒星运行，根据理论这是不可能的。其他系外行星在椭圆轨道上运行，有些围绕恒星的两极运行。行星系统似乎以任何不违反物理定律的形式运行。

2009年，美国宇航局发射开普勒探测器探索行星，迅速将发现的系外行星数量增加到数千颗，足以让天文学家获得关于其他行星系统的有意义的统计数据，并打破人们一直接受的标准理论。人们发现，不仅有许多与太阳系不相似的系外行星系统，而且太阳系中也不存在最常见的行星类型，即地球和海王星之间的“超级地球”。加州大学圣克鲁斯分校的天文学家格雷戈里·拉夫林说，模拟太阳系行星家族的方法“在探索系外行星方面没有取得任何成功”

这个结果引起了争议和混乱。天文学家开始尝试其他想法。加拿大理论天体物理研究所的诺姆·默里说，该领域的现状“没有取得太大进展”，现在无法解释一切。麻省理工学院的天体物理学家凯文·施劳夫曼同意这一观点。在研究人员达成新的共识之前，他们无法理解太阳系是如何存在于更大的宇宙框架中的，更不用说预测其他可能存在的星系了。

行星的产生

在探索整个理论的过程中，天文学家认为核心吸积理论有一个正确的部分:星际氢和氦云碰撞，直到其核心的密度和温度足以燃烧，因此恒星诞生，行星是恒星诞生的残余。

一些氢和氦云并没有直接成为新生恒星，而是围绕着它，围绕着恒星的赤道形成了一个薄而平的圆盘。这些气体含有一些较重元素的固体颗粒，如碳、氧、硅和铁。当圆盘冷却时，静电使这些粒子聚集在一起形成松散的组织，最终成长为直径几公里的物体，称为“小行星”然后是重力效应，这些小行星相互碰撞成碎片，然后聚集成完整的行星。当这一切发生时，周围气体的摩擦产生了一个近乎圆形的轨道。

核心吸积理论的过程在不同的地方产生不同的结果。在中心，唯一能在新生恒星的高温下存活下来的是高熔点物质，如铁和各种矿物质。结果是一个岩石铁行星的内部系统，整个圆盘中固体物质较少，质量与地球相似或比地球小。

然而，远离恒星的地方，圆盘的温度足够低，以至于比铁和岩石更富的冰可以被保存并积累成小行星。当小行星增长到地球质量的10倍时，它们开始吸入周围的氢和氦，并迅速积累成像木星和土星这样的大气体行星，它们的质量是地球的几十倍或几百倍。它们不会停止生长，直到它们从轨道上吸出气体。

奇怪的行星

核心吸积理论完全符合太阳系的情况。然而，在1995年，瑞士观察员报告发现了第一颗清晰的系外行星，标准模型似乎有点不同。对其恒星Pegasi51的精确测量表明，该行星的引力已经产生了微小的反复变化。数据显示，这颗行星的质量是地球的150倍，接近木星的一半。这清楚地将它归类为一颗巨大的气体行星。然而，这颗行星以4个地球日的周期围绕恒星旋转，距离恒星只有750万公里，这表明气体圆盘形成时其周围的温度达到了2000K，但是冰和气体在这个温度下不可能存在。“就好像我们发现了不该发现的东西。”马里兰大学天文学家德里克·理查德森说。

天文学家称它为热木星。他们很快发现了如此大的一群系外行星，并发现了其他奇怪的事情:WASP-7b绕其恒星的两极而不是赤道旋转；HD80606D的轨道高度为椭圆形；HAT-P-7b的轨道方向与其恒星的自旋方向相反。

到2000年，天文学家已经发现了30颗系外行星。2008年，这个数字达到了330。然后美国宇航局发射了开普勒来寻找系外行星。开普勒通过探测物体穿过恒星时恒星光线的微弱变化来确定行星。与径向速度技术相比，这种方法可以找到更小的行星，给天文学家找到其他类似地球的行星的机会。开普勒至今已经发现了974颗系外行星，4254颗仍在等待进一步的地面测量。

开普勒发现的行星在奇怪的系统中运行。例如，开普勒-56系统中的两颗行星分别是地球质量的22倍和181倍，并且都与恒星平面成45度角。开普勒-36系统中两颗行星之间的距离非常近:它们的运行周期分别为14天和16天。其中一个是岩石行星，密度是另一个冰行星的8倍。“他们为什么这么近？”理查森问道，“它怎么会如此不同？”

独特的地球

问题是如何解释所有这些行星系统的多样性。一般来说，天文学家将从标准的核心吸积理论开始，然后添加那些在太阳系中没有发现的过程进行分析。超级地球很难解释。麻省理工学院系外行星的物理学家约书亚·温说，很长一段时间以来，超级地球没有一致的定义。"超级地球可能不是一只典型的鸟，而是一只企鹅."宾夕法尼亚州立大学的天体物理学家埃里克·福特对此进行了描述。

超级地球的大小需要解释。标准理论做不到这一点，因为在现有的模型中，恒星盘的中心区域包含的物质太少，无法产生一颗接近超级地球的行星。在加州大学圣克鲁斯分校的道格拉斯·林和他的同事们尝试的模型中，首先假设恒星盘的质量分布会因系统而异。林解释说，接下来就是“不断的迁移”。所有类型的行星都在盘外长到全尺寸，然后依次向内移动。

这个模型非常吸引人，但是迁移的概念让研究人员犹豫不决。建模者发现很难解释为什么迁移的行星会停在天文学家观察到的轨道上。温说，在模型中，他们没有停留在那个位置。也许最大的问题在于为什么我们的太阳系与其他星系如此不同。为什么它不包括类似太阳的恒星周围的行星？

未来的观察可能会给出一些答案。开普勒的进展一直步履蹒跚，但上个月它获准继续搜索数据。它运行的时间越长，可以观察到的系外行星的轨道范围就越大。地面勘探项目开始使用改进的设备。从2017年开始，美国国家航空航天局计划中的太阳系外行星探索卫星(TESS)将探索天空中所有明亮恒星的行星凌日现象。候选系外行星的范围可能会让天文学家发现类似太阳系的星系。

与此同时，研究人员继续开发他们的混沌模型。默里指出，如果当前的理论脱离现实，不再美丽，这也是一个科学理性的问题。(张冬冬)

中国科学新闻(2014-07-09第三版国际版)

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