作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2016/8/25 7:54:53
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系外行星、超级地球、热木星……
打破禁忌的外星世界

系外行星HR 8799 b 图片来源:NASA/ESA/G. Bacon

20年前,当天文学家发现首个围绕标准恒星旋转的系外行星时,人们十分欢乐却也不解。这颗名为飞马座51b的行星约为木星的一半,但其轨道周期为4个地球日,其轨道与母星的距离比水星与太阳的距离近得多(水星的轨道周期为88个地球日)。

研究行星构造的理论学家曾认为,这样大小的行星无法发展出距新生恒星如此紧密的轨道范围,因此被认为是一种异常现象。但很快,科学家又发现了更多“热木星”(如巨蟹座55和牧夫座T),这迫使天文学家开始研究行星的轨道迁移现象并修改之前的行星形成理论。

2009年,美国宇航局(NASA)发射开普勒行星探测器,行星“狩猎”加速推进。“开普勒”发现,银河系中最常见的行星类型是大小介于地球和海王星之间的“超级地球”,它与太阳系完全不同,并被认为是几乎不可能形成的。

现在,陆基望远镜正汇聚直接来自系外行星的光,而非如同开普勒那样间接寻找它们。而且,这些望远镜也发现了异常情况。它们发现比木星大数倍的巨行星,距离其母恒星的运行轨道是海王星距离地球的2倍多,而理论学家也曾认为这个区域不可能出现大行星。看上去与太阳系完全不同的另一个行星系也挑战了这个过时理论。

“很明显,事情从一开始就几乎不匹配。从来没有一个时刻,理论能够追赶上观测。”美国斯坦福大学物理学家Bruce Macintosh说。

理论学家正试着追上来。他们在设想行星如何形成于比之前预期的更可移动和混乱的环境中。初生行星离开之前广阔的空间进入狭窄轨道,或被其他行星弹入细长或不规则的路径。但随着不断发现更多系外行星,观察者认为,即便是新模型也是暂时的。“就像淘金热那样,你每天都能发现一些新东西。”德国马普学会天体物理学家Thomas Henning说。

7月,一个国际天文学家小组在美国《天体物理学杂志增刊》上报告说,他们分析了开普勒在K2任务期第一年发现的197个行星候选者,结合设在夏威夷的北双子星等地面望远镜的观测,确认其中104颗是行星。如此一来,人类已确认的系外行星已达到3368颗。

传统模型

行星与其母星的构造的传统模型能追溯到18世纪。当时,科学家认为,缓慢旋转的尘埃云可能在自身重力作用下崩塌。大部分物质会形成一个球体,当其核心足够稠密和炽热时,就会成为一颗恒星。重力和角动量会将原恒星周围的其他物质聚集在一个平面盘状物中。而尘埃是将该盘状物变成一系列行星的关键。尘埃有微小的铁和其他固体组成,当它们在动荡的盘状物中旋转时,这些颗粒偶尔发生碰撞,并由于电磁力结合在一起。数百万年后,尘埃团不断增大,最后变为星子。

然后,重力开始扮演重要角色,吸引着其他星子和尘埃等,直到行星大小初具规模。到这时,盘状物内部开始发生变化,大部分气体被剥离:被恒星吞下或被恒星风吹走。气体的缺乏意味着内行星仍然是巨大的岩状物,周围包裹着稀疏的大气。

这个星体生长过程被称为核吸积。由于很多行星“胚胎”存在于如今的小行星带外侧,那里远离初生恒星的光和热,所以冰能在原行星盘中存在。在这条“雪线”之外,可用来构筑行星的冰非常丰富,于是,“胚胎”大快朵颐,生长出了庞大的身躯。它们产生了实心内核,质量是地球的5~10倍。因为强大的引力场能快速吸收气体和尘埃,形成厚厚的大气层,这个星体很快就成长为木星一类的气体巨行星。

按“剧情”发展下去,行星系诞生了:具有稀薄大气层的小岩态行星靠近恒星,木星等气体巨行星在雪线以外,在更远距离外的其他巨行星逐渐缩小。所有的行星仍然在其出生地附近井然有序。

打破常规

但“热木星”的发现改变了这一切。它显示传统理论存在严重缺陷。“热木星”的轨道周期只有几天,在如此靠近母星的炙热之地,不可能有冰存在,因而这些气体巨行星的存在完全相悖于经典理论。为了调和这个矛盾,理论天文学家认定这些行星首先形成于离恒星更远的地方,后来以某种方式向内迁移至现在的轨道。

理论学家目前已提出可能出现的两种机制。首先是迁移理论,巨行星形成后,大量物质被遗留在盘状物中。行星的重力会扭曲盘状物,产生高密度区域,这反过来又将其慢慢拽向母恒星。

但也有科学家认为相关情况过于复杂。加州大学圣克鲁兹分校天文学家Greg Laughlin 说:“我相信奥卡姆剃刀。”(14世纪逻辑学家、圣方济各会修士奥卡姆的威廉提出,他在《箴言书注》2卷15题说“切勿浪费较多东西去做用较少的东西同样可以做好的事情”。)

Laughlin认为,行星更可能在适当的位置形成,并留在原地不动。如果原行星盘有比之前预计的多的物质,巨行星就会诞生于靠近母星的地方。一些行星运动仍会发生——这足以解释共振态等,但“这主要是微弱的调整,而非大规模传送”。

但也有人认为该理论过于简单,无法解释飞马座51b等星体的形成。“它们不是就地形成的。”麻省理工学院物理学家Joshua Winn说。对于这些“异类”,理论学家认为“重力混战”比安静迁移更能说明问题。

轨道紧密排列的巨行星仍处于共振状态,并受到遥远冰质星子微弱的引力作用。事实上它们的轨道犹如在刀锋上行走,随时可能跌落。外部星子的每次轻微拖曳都微妙地改变着它们的运动。当一颗巨行星脱离与另一颗的共振时,转折点便会来临,平衡状态瓦解、一系列混乱的行星间摄动开始了。摄动是如此剧烈,以至于有一颗甚至多颗巨行星被散射至恒星际空间。

Winn指出,实际上,“打破一个系统的方法有很多”。

超级地球

“开普勒”发现,60%类似太阳的恒星都被一个超级地球围绕。NASA天体生物学研究所的Nader Haghighipour介绍:超级地球目前在宇宙空间的一些天区的特殊地方被发现。

在体积上,超级地球比典型的类地行星要大,还具有与地球相似的物理和其他动力学特性,所以也相对容易被探测到。

实际上,这些行星的轨道周期比日地轨道周期更短,并且一颗恒星通常有数个超级地球。以开普勒-80系统为例,其中有4颗超级地球,其轨道周期为9天甚至更短。由于超级地球很少存在于共振轨道,因此表明它们未曾迁移,正是形成于目前的位置。

去年,NASA宣布,天文学家通过开普勒太空望远镜确认在宜居带发现第一颗与地球大小相似、围绕类似太阳的恒星运行的太阳系外行星(开普勒-452b)。它比地球大60%,公转周期为385天,只比地球公转周期长5%。其母星也与太阳相似,但“年龄”为60亿岁,与太阳的温度类似,质量比太阳大4%。

天文学家也曾借助开普勒望远镜发现了一颗和地球体积近似、位于宜居带中的系外行星开普勒-186f。不过,由于它环绕一颗红矮星,因此只是地球的“堂兄弟”。

为了更好地研究宇宙,欧洲的光谱极化高对比度系外行星研究(SPHERE)和美国的双子座行星成像仪(GPI)已经被安装到位于智利的大型望远镜上。不出意外,更遥远的行星将能更容易地被定位。

现在预测GPI和SPHERE能找到什么为时尚早。但热木星和超级地球都由于距离母恒星过近而无法直接成像,而又因距地球过远而不能依靠间接技术进行分析。“我们的数据断断续续且观察并不完整。”Laughlin说,“现在,也许大家都是错的。”

即便过去的经验能靠得住,建模者仍应该小心翼翼。“自然比我们的理论更聪明。”(张章)

《中国科学报》 (2016-08-25 第3版 国际)
 
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