行星和弦之舞，泄露軌道遷移天機
開普勒223系統中的4顆行星，軌道周期的比值精確等於3:4:6:8。這一現象表明，至少在這個行星系統中，行星在形成時發生過軌道向內遷移的過程。圖片來源：sciencepart.com
20多年前，除了太陽系裡寥寥數顆行星以外，天文學家並不確定宇宙中是否存在其他行星。而現如今，得到確認的太陽系外行星數目，就已經超過了3000顆。不論是太陽系內還是太陽系外，行星都是怎樣形成的呢？關於這個問題，天文學家已經漸漸理清了思路。
故事的開頭，始於一大團瀰漫的分子雲，受到外部超新星爆發或者其他恆星經過的擾動，開始塌縮形成氣體盤，中央密度高的地方形成了恆星。與此同時，在最初的氣體盤裡，微小的塵埃顆粒也在碰撞粘合，從微米級別長到千米級別，形成星子。這些星子繼續成長到月球或者地球大小，開始清空周圍的軌道，便形成了原行星。接下來，原行星憑藉自身的引力吸納周圍的氣體，直到氣體被恆星吹散——至此，行星差不多就算形成了。
大體過程雖然已經明確，一些細節卻仍有爭議。比如，行星形成過程中，它們的軌道是否會遷移。有些科學家指出，星子和原行星可以被氣體摩擦，向內遷移，同時繼續長大，隨後氣體盤消散時也會帶動一些行星向外遷移。另一些科學家則認為，氣體盤消散很快，原行星吸納氣體的速度也足夠快，因此它們不會發生遷移，能夠待在原地長大。
最近，美國芝加哥大學的兩位天文學家仔細研究了開普勒223系統，找到了強有力的證據，支持那裡曾經發生過行星遷移過程。這項研究最近在線發表在《自然》雜誌上。
開普勒223擁有4顆大小相近的行星，分別是地球大小的3倍、3.4倍、5.2倍和4.6倍，與太陽系裡的海王星（3.9倍地球大小）相當。他們可能有地球大小的內核，外圍包裹了海王星那樣濃密的大氣。這4顆個頭普通的行星，之所以能夠吸引天文學家的關注，關鍵在於他們的公轉周期：分別是7.38天、9.85天、14.79天和19.73天，比例精確等於3:4:6:8。換句話說，當第一顆行星公轉8圈回到原位時，第二顆、第三顆和第四顆行星恰好各自公轉了6圈、4圈和3圈回到原位。行星之間軌道周期的這種整數比，就稱作軌道共振。此時他們能夠周期性靠近，讓他們持續施加相互的限制，使得各自都能在一定的擾動下維持現狀。
在開普勒223行星系統中，第一顆行星公轉8圈回到原位時，第二顆、第三顆和第四顆行星恰好各自公轉了6圈、4圈和3圈回到原位。圖片來源：W.Rebel, Wikimedia Commons
共振在生活中也非常常見，比如盪鞦韆時，如果朋友推你的頻率和鞦韆本身的頻率一致，鞦韆就能越盪越高。在太陽系裡也有軌道共振的例子，比如伽利略發現的木星4顆大衛星中的前3顆，環繞木星的軌道周期的比值恰好為4:2:1，海王星和冥王星的軌道周期比也接近2:3。只要軌道周期靠近共振，就可以讓系統的能量變得較低，趨於穩定。雖然軌道共振現象普遍存在，但是擁有4顆精確共振且周期僅有數天的行星系統，開普勒223是獨此一家。
那麼，如此精巧的軌道排列，又怎樣能夠支持曾經發生過行星遷移過程呢？
在氣體盤外圍，物質豐碩，原行星能夠長到足夠胖，讓自己的橫截面積變得較足夠大。如此一來，它在氣體盤裡運動時，迎面吹來的「風」產生的阻力也會較大，使得它損失軌道能量，螺旋運動逐漸靠近恆星，這就是遷移過程。如果內側還有正在形成和遷移的行星，外側這顆行星向內遷移時，就會慢慢趕上內側的行星。兩者靠近到一定距離，它們的軌道周期構成整數比，例如4:3時，彼此之間的引力周期性相互影響，便使得兩顆行星達到軌道共振，從而穩定下來。然而，迎面吹來的「風」並沒有就此停歇，還會繼續施加阻力，使兩顆行星共同向內遷移。如此這般，它們一起趕上內側的第3顆行星，同樣達到軌道共振，接著3顆行星又一起向內遷移，最後趕上最內側的第4顆行星。
這樣的氣體盤遷移理論，能夠完美解釋開普勒223系統中的這4顆行星，使它們軌道周期處在精準的整數比值。不僅如此，由於行星向內遷移的原因是氣體盤帶來的阻力，最內側的行星最終停止在氣體盤的內邊界附近，使得它的軌道周期僅為數天——這也解釋了開普勒223系統中的4顆行星軌道都如此緊湊靠近恆星的原因。
芝加哥大學的肖恩·米爾斯（Sean Mills，左）和丹尼爾·法布里基（Daniel Fabrycky）在一項新研究中細緻分析了開普勒223系統中4顆行星的軌道共振。圖片來源：Nancy Wong/芝加哥大學
如果沒有氣體盤裡的遷移，行星之間相互影響或許能夠接近於軌道共振，但肯定無法達到開普勒223這樣的精確。因為4顆精確共振的系統也同樣非常脆弱，一旦有稍大的引力擾動，比如有另一顆較小的行星靠近，便會立即摧毀它們的共同「舞蹈」，偏離3:4:6:8這個和弦。能夠保持這樣的軌道，恰恰說明它們曾經經歷過氣體盤中的遷移過程。
這項研究的作者還利用夏威夷莫納克亞10米口徑的凱克望遠鏡，詳細觀察了開普勒223的光譜，發現這顆恆星的年齡超過60億年，要比我們的太陽更古老。是怎樣的巧合讓開普勒223的4顆行星避開了各種各樣的擾動？要知道，氣體盤的消散、恆星潮汐力的拖拽、其它小行星的干擾，每一個過程都足以破壞精確的軌道周期比。也正是這些擾動，讓無數曾經遷移過的行星系統都離開的共振狀態 。60億年過去了，也許是巧合，或許還有未知的因素等待科學家探索，開普勒223的4顆行星就這樣幸運地保留了當初的軌道，依然舞動著精準的步伐，向遠在地球上的天文學家證明，他們曾經遷移過。（編輯：Steed）
參考文獻
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