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是一顆超級木星（從推測的月亮上看到），繞其恒星運行一周需要460年

20年前，當天文學家發現首顆環繞常態恒星運行的系外行星時，心里充滿了喜悅，同時又困惑不已。該行星被命名為飛馬座51 b，質量有木星的一半。但其軌道周期僅為4天，遠低于水星軌道的88天，因此難以靠近其恒星。研究行星形成的理論學家無法論證如此巨大的行星能夠在一個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，科學家很快又發現了更多的“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行——與其恒星的運轉方向背道而馳。

2009年，美國國家航空航天局發射了開普勒行星探測器。它所發現的2 500個星球為研究系外行星提供了重要的統計學依據——也讓人感到更加困惑。開普勒發現，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“超級地球”——它與太陽系中的行星完全不同，并被認為幾乎是不可能形成的。如今，陸基望遠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它們的存在。此外，這些望遠鏡也發現了異常情況。它們發現了質量比木星大數倍的巨行星，其運行軌道與其恒星的距離是海王星距離太陽的2倍多——這是理論學家曾經認為不可能誕生大行星的另一個區域。其他行星系看上去也與太陽系完全不同，這對曾經用于解釋太陽系的舊理論提出了挑戰。

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，”斯坦福大學物理學家布魯斯·麥金托什(Bruce Macin tosh)表示，“歷史上從未有哪個時刻，理論能夠跟上觀測的步伐。”

理論家們正努力跟上，構建出能夠在曾被視為禁區的地方誕生此前認為不可能形成的行星的環境。他們在設想行星如何形成于比之前預期的更加動蕩和混亂的環境中，其中的新生行星能夠離開寬軌道漂移至狹窄軌道，或被其他行星或經過的恒星彈入細長的或不規則的路徑。但隨著更多系外行星的不斷發現，觀測者認為，即便是新模型也是暫時的。“這種情況就像淘金熱那樣，你每天都會有新的發現。”德國海德堡馬克斯·普朗克天文研究所的天體物理學家托馬斯·亨寧(Thomas Henning)說道。

恒星與其行星形成的傳統模型可追溯到18世紀。當時，科學家認為，緩慢旋轉的塵埃和氣體可能在自身引力作用下坍塌。其中的大部分物質會形成一個球體，當其核心足夠稠密和熾熱時，就會點燃成為恒星。引力和角動量將原恒星周圍的其余物質聚集成一個扁平的盤狀結構。塵埃是將該盤狀結構變成一系列行星的關鍵。這些塵埃由微小的鐵粒和其他固體物質組成，只占盤狀結構質量的一小部分。由于它們會在動蕩的盤狀結構中旋轉，這些微粒偶爾會發生碰撞，并在電磁力的作用下結合在一起。經過數百萬年之后，塵埃會逐漸積聚成谷粒、鵝卵石和巨礫大小，最終形成寬度達數千米的星子。

此時，引力開始發揮作用。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。當這一切在盤狀結構內部發生時，大部分氣體被剝離——要么被恒星吞噬，要么被恒星風吹走。氣體的缺乏意味著內行星仍然主要由巖石構成，周圍環繞著稀薄的大氣層。

這種被稱為核心吸積的成長過程在盤狀結構外部繼續加快，此處的水甚至寒冷到足以結冰。在這條“雪線”之外，冰成為塵埃的補充物，使原行星能夠更快速地得到鞏固，并形成一個質量為地球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巨行星。（美國國家航空航天局發射的“朱諾”號木星探測器已于2016年8月初抵達木星，其目標之一就是觀測木星是否真的擁有巨大核心。）

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

但熱木星的發現表明，這一理論存在嚴重缺陷。在以天為單位的軌道上運行的行星繞其恒星運行的時間極短，這限制了行星形成時積聚的物質數量。氣態巨行星居然能在這種地方形成，真是匪夷所思。所以，由此得出的結論只能是：它肯定形成于更遠的地方，然后運行至當前位置。

超級地球的誕生

理論家們提出了兩種可能拖拽行星的機制。第一種是遷移理論：當氣態巨行星形成后，需要有足夠的物質留在盤狀結構中。行星的引力會使盤狀結構扭曲，從而形成密度更高的區域，這些區域反過來又對行星造成引力“拖拽”，使其逐漸內旋朝恒星漂移。

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

一些建模者認為，這種環境過于復雜。“我相信奧卡姆剃刀。”加州大學(UC)圣克魯斯分校天文學家格雷格·勞克林(Greg Laughlin)說道。他認為行星更可能在適當的位置形成，并留在原地不動。如果原行星盤的物質比預計的更多，巨行星就會誕生于靠近恒星的地方。一些行星運動仍會發生，這足以解釋共振現象。“這是最后的細微調整，而非大規模傳送。”勞克林說道。

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

對于這些“異類”，理論學家提出了引力混戰的概念，認為這比平靜的遷移理論更具說服力。質量大的盤狀結構可以產生許多互相靠近的行星，引力混戰會將它們扔入恒星、奇怪的軌道或扔出系統。另一個潛在的破壞者是位于細長軌道上的伴星。大多數時候，伴星距離遙遠，因此不會產生影響，但偶爾會旋轉進來制造事端。或者，如果母恒星是致密星團的一員，鄰近恒星可能漂移太近并造成嚴重破壞。韋恩解釋說：“有很多方法可以打破系統。”

然而，開普勒行星探測器的發現令人驚訝：60%的類日恒星都有一個“超級地球”繞其旋轉。這需要一個全新的理論來進行解釋。大多數超級地球被認為主要有堅硬的巖石和金屬以及極少量的氣體構成，并循著比地球更狹窄的軌道運行。通常情況下，一顆恒星擁有數個超級地球。例如，開普勒-80系統有四顆超級地球，所有超級地球的軌道周期均為9天甚至更短。傳統理論認為，內部的雪線核心吸積速度太慢，無法產生如此巨大的物體。由于超級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。

研究人員正在構想解決這個問題的途徑。一種是通過卵石吸積的過程加快吸積速度。在質量大的盤狀結構中，氣體會對鵝卵石大小的物體產生極大的拖拽。這通常會令它們減速，使它們向內朝恒星漂移。由于旋轉速度較慢，如果它們在途中遇到星子，就會更容易被捕獲，從而加快吸積過程。但吸積速度加快、盤狀結構氣體含量豐富也會帶來問題：超級地球一旦超過了一定尺寸，就必須吸入濃厚的大氣。普林斯頓大學天體物理學家羅曼·拉菲科夫（Roman Rafikov）提出了一個問題：“如何使它們不致成為氣態巨行星？”

加州大學伯克利分校天文學家尤金·蔣(Eugene Chiang)認為，只要盤狀結構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構大10倍的內部盤狀結構中，很容易誕生一個或多個超級地球。他說，當大部分氣體消散后，盤狀結構也會消失，此時形成的超級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、即將完工的國際設備阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米陣列望遠鏡(ALMA)早期的一些發現為這一設想提供了佐證。ALMA可繪制盤狀結構內溫度較高的塵埃和碎石的電波發射圖。迄今為止，它只是對少量盤狀結構進行了研究，而這些盤狀結構似乎都相對龐大。但觀測結果還不是確鑿的證據，因為ALMA尚未全面運作，它只能觀測盤狀結構的外層部分，而無法觀測超級地球所在的區域。蔣說：“靠近，這就是技巧所在。”當ALMA的所有66根天線都運作起來，它或許會帶來新的發現。

蔣還對開普勒行星探測器的另一個發現超級松軟行星進行了解釋：這是一組罕見但同樣懸而未決的行星，其質量比超級地球小，但看起來巨大無比，其中氣體占其質量的20%。這類行星被認為形成于氣體含量豐富的盤狀結構中。但在盤狀結構內部，溫度較高的氣體會與行星的微弱引力相抗衡，所以盤狀結構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——超級松軟行星通常分布于共振軌道這一事實詮釋了這一概念。

關于系外行星研究，目前大多數都集中在行星系統內部，其范圍大約相當于木星軌道的距離。原因很簡單，就是因為現有的探測方法只能看到那么遠。兩種主要方法——測量因繞軌道運行行星的引力拖拽引起的恒星擺動和測量恒星在行星運行至前方時的周期性變暗——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，因為它們微弱的光線幾乎淹沒在恒星的眩光之中，后者可能比前者亮十億倍。

但通過擴展世界上最大的望遠鏡的極限，天文學家們直接觀測到了少量行星。在過去的數年中，專為觀測系外行星而設計的兩部新儀器投入使用。歐洲的光譜偏振高對比度系外行星探測儀(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鏡上，利用日冕儀這種復雜的遮蔽物來遮擋恒星的光線。不出所料，遠離其恒星的行星是最簡單的目標。

通過直接成像找到的最簡單也最令人震驚的系統之一是環繞HR 8799恒星運行的系統，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，質量是木星的五倍以上。根據現有理論，在如此遙遠的軌道上的行星運動速度非常緩慢，它們應該在盤狀結構消失前緩慢成長，且質量遠低于木星。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。

這類遙遠的巨行星的存在對標準理論提出了最有力的挑戰：一些行星并非形成于核心吸積，而是形成于一個被稱作引力不穩定的過程。該過程需要有一個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簇。隨著時間的推移，這些氣團無需首先形成固體核心就能直接崩裂成巨行星。模型表明，這種機制只有在特定情況下才能發揮作用：氣體寒冷，不能旋轉太快，收縮氣體必須能夠有效散發熱量。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和寒冷。他補充道：“它仍然是一個相當令人費解的系統。”

在過去，射電望遠鏡對原行星盤進行的觀測在一定程度上證明了引力不穩定這一現象的存在。由于射電望遠鏡對寒冷氣體較為敏感，因此能夠觀測到盤狀結構帶有少量散亂的不對稱氣團。但ALMA最近獲得的圖像顯示的又是另外一番景象。ALMA對來自盤狀結構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稱盤狀結構，該盤狀結構內有黑暗的圓形“縫隙”，一直延伸至類似海王星軌道的軌道之外。“這真是一個巨大驚喜。盤狀結構不是一盤散沙，而是一個規整的漂亮結構。”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，已經將軌道中的其他物體清除干凈，這對提供引力不穩定說的理論學家來說是一大打擊。

要預測GPI和SPHERE在外太空搜索行星系統時還可能會有哪些驚人發現為時尚早。但那些偏遠行星之間的區域以及熱木星和超級地球的臨近區域仍然遙不可及：要么離恒星太近而無法直接成像，要么離恒星太遠而無法使用，需依賴于恒星閃爍或變暗的間接技術。因此，理論學家很難獲得有關系外行星的完整圖片。“我們的結論所依據的是斷斷續續和不完整的觀測。”勞克林說道，“現在，所有人都可能錯。”

再過不久，天文學家就可獲取更精確的數據。明年，美國國家航空航天局將發射凌日外行星探測衛星(TESS)；后年，歐洲航天局(ESA)預計將發射基奧普斯系外行星表征衛星(CHEOPS)。與探測大量恒星以獲取大量系外行星資料不同，TESS和CHEOPS將重點關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域。因為目標恒星較近，陸基望遠鏡可以測出其行星的質量，使研究人員計算出能夠表明行星是由巖石還是氣體組成的密度。

計劃于2018年發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將能進一步進行探測，對經過系外行星大氣層的星光進行分析，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，在超級地球的大氣層中發現更重的元素表明，要快速形成行星核心必須具有富含這些元素的盤狀結構。未來十年，美國國家航空航天局的大視場紅外巡天望遠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鏡將加入搜索的行列。

即便過去的經驗靠得住，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][責任編輯：岳峰]