宜居行星：科幻的起点

无论是《星球大战》还是《银河卫士》，都有许多奇怪的外星人。但是我们似乎忽略了一个问题:这些星际舰队基地位于哪里？根据我们的理解，至少在有固体表面的行星上。那么恒星之间真的有这么多固体行星吗？直到最近几年，地面和太空观察显示，也许超过1/6的类太阳恒星的半径是地球固体行星的2倍，这个问题才得到回答。那么，固体行星是如何形成的呢？它们的表面温度是多少？它适合我们这样的生活吗？

为了回答这些问题，我们必须首先看看行星系统是如何形成的。

早在18世纪，拉普拉斯就提出了太阳系形成的星云假说，认为太阳系的行星系统起源于围绕太阳旋转的盘状星云。现代天文观测证实了这一说法。像太阳这样质量中等和小的恒星是由在星际介质中扩散的致密分子云核的重力坍缩形成的。由于初始角动量的存在，在原恒星的赤道面上将形成一个质量为几十个木星、范围约为100个天文单位的原恒星盘。通过观察红外波段原恒星辐射的分布，可以证实这些圆盘的存在。原恒星盘是孕育行星的温床。随着原恒星形成星主星辐射的增强，原恒星盘的气体成分通常在数百万年的时间尺度内通过电离而消散。因此，像木星这样的气态巨行星必须在这个时间尺度内形成。另一方面，固体行星可以通过剩余的行星胚胎的碰撞继续形成。例如，数值模拟发现，地球可以在圆盘消失3亿年后形成。

那么，同样在行星系统中，为什么有些行星会形成气态巨行星，有些会形成类地行星？有规则可循吗？科学家认为这是有规律的。根据目前公认的行星形成的核吸积模型，固态行星或气态行星的核主要是由原恒星盘中的重元素(氢和氦以外的元素)凝结而成。

《科学世界》第11期的专题规划文章《太阳系的诞生》主要介绍了这一过程，包括人类通过太空探索获得的这一过程的证据。

在主星附近，圆盘的温度相对较高，只有铁和镍等金属能够凝结形成行星胚胎。在远离主星的地方，常温下呈气态的物质(如甲烷、氨等。)可以浓缩成固态的行星胚胎。此外，远离恒星的行星胚胎有更大的活动范围，所以更大质量的胚胎只能在远离恒星的地方形成。数值模拟显示，只有地球质量以上的10个原行星胚胎能够有效地积累和结合大气形成类木行星。因此，太阳系中行星的分布(内部是类地行星，外部是气体或冰巨人)与这个模型非常一致。然而，正如本文所述，在行星胚胎形成后，它将与大气圆盘相互作用，形成大规模的径向迁移，行星之间也将相互作用，形成各种行星系统，如热木星(一个非常靠近主星的气态巨行星)。在类地行星中，只有温度相对适宜(主要取决于恒星辐射和行星大气成分)和液态水存在的行星才被称为可居住行星。

可居住区

既然行星很常见，为什么人类直到20世纪末才发现系外行星？主要原因是行星非常暗。例如，木星自身辐射的总亮度只有太阳的百分之一，而地球的亮度甚至是太阳的百分之一。此外，行星非常靠近主要恒星(几个天文单位)。从地球上看，一颗距离中星(几十光年，几百万天文单位)近的行星相当于距离北京奥运火炬几十厘米远的一只萤火虫，很难观察到。现代天文观测技术的进步是外行星探测取得突破的根本原因。目前大多数探测方法使用间接方法(即不直接探测来自行星的光子)，例如测量由行星引起的主星围绕公共质心的表观速度变化，以及观察由行星引起的主星的光变化。开普勒卫星使用后一种原理。

开普勒卫星

寻找可居住的行星是近年来系外行星探索的一个重要科学目标。继开普勒卫星之后，其他致力于探索系外行星的国际项目包括美国的TESS卫星，预计将于2017年发射，以及欧洲计划于2020年左右发射的PLATO卫星。地面上有许多小型望远镜阵列，专门用于长期寻找系外行星，如WASP、HAT等。中国还在南极洲的昆仑站安装了望远镜，并发现了六颗候选系外行星。未来，南京大学还计划在*天文台建造一个ARES阵列，专门用于北极地区的系外行星探测。

在这个时代，我们很幸运地见证甚至参与了曾经只存在于科学幻想中的系外行星的发现。