行星形成也許不是我們設想的那樣

2 0年前，天文學家首次發現圍繞一顆正常恆星旋轉的系外行星，給人們帶來了欣喜和困惑。這顆被命名為飛馬座5 1b的行星體量是木星的一半，但它的軌道周期只有4天，令人難以置信地接近恆星，比水星8 8天的軌道周期小了太多。研究行星形成的理論物理學家無法解釋一顆如此巨大的行星如何能在一顆新生的恆星周圍如此狹窄的範圍里生成。如果不是因為搜尋系外行星時很快就找到了更多的熱木星，它很可能被看作一顆反常的星球。同時，被搜尋到的還有其他奇異的星球：具有被拉長和高度傾斜軌道的行星，甚至繞恆星反向公轉的行星——公轉方向與恆星自轉方向相反。

隨著2 0 0 9年美國航空航天局開普勒空間望遠鏡升空，搜尋行星的進程加快了，它發現的2 5 0 0個太陽系外的天體系統為系外行星研究增加了統計學重量，同時也帶來了更多困惑。開普勒空間望遠鏡發現銀河系內最常見的行星體量介於地球和海王星之間，這類行星被稱為「超級地球」，在內太陽系沒有這種行星存在，同時也被認為是不可能在內太陽系形成的。

現在，地面的天文望遠鏡可以直接收集來自系外行星的光線，而不是像開普勒空間望遠鏡那樣，間接檢測它們的存在。這些地面天文望遠鏡搜集到的數據同樣顯示了異常行星的存在。它們發現了體量為木星數倍的巨型行星，以海王星與太陽距離的2倍圍繞它們的恆星運轉——這是另一個理論學家認為的不可能生成大型行星的區域。其他恆星系統跟我們有序的太陽系完全不同，這給那些用於解釋行星形成的、我們耳熟能詳的理論帶來了挑戰。

斯坦福大學物理學家布魯斯·麥金托什說：「從第一天開始，理論無法和現實很好契合這一點就很明顯，從來沒有哪一個理論能跟得上觀測。」

理論學家正在試著迎頭趕上——尋找合理情形來解釋之前被認為不可能存在的行星，如何在不可能生成行星的區域內生成。他們設想，行星在比之前認識到的更為機動和混亂的環境中形成，然後從寬軌道飄移到窄軌道上，或者受其他天體碰撞而反彈到拉長或者失衡的軌道上。但是觀測者發現的越來越多的獨特行星意味著每個新的理論模型都只是暫時的。德國海德堡馬克斯· 普朗克研究所的天體物理學家托馬斯·亨寧說：「每天都能發現新東西，這種情況就像是淘金。」

恆星和它的行星系統形成的傳統模型可以追溯到1 8世紀，當時的科學家提出緩慢旋轉的塵埃和氣體雲可以在自身引力下坍縮。大多數物質形成球狀，當內核密度足夠大、溫度足夠高時會被點燃形成恆星。在引力和角動量的作用下，剩餘的物質在原恆星周圍形成扁平的吸積盤。塵埃是這個吸積盤形成一系列行星的關鍵。這些僅佔據吸積盤質量很小一部分的塵埃由微小的鐵顆粒和其他固體組成。在隨著吸積盤旋轉的過程中，這些顆粒偶爾會發生碰撞並由電磁力粘連在一起。在數百萬年的進程中，塵埃堆積成顆粒，顆粒形成礫石，礫石生成岩石，最終產生數千米寬的微行星。

此時引力開始起到主要作用，拉近其他微行星，吸入塵埃和氣體，直到行星大小的天體成形。此時吸積盤內側大多數氣體已經被清理乾淨，不是被恆星吞噬就是被恆星風吹散了。氣體的缺乏意味著靠近恆星的行星大部分是岩石質的，具有很薄的大氣層。

這一生長過程被稱為核吸積，在吸積盤外側溫度足夠低、能夠使水凍結的區域進行得更快。這一「雪線」之外的冰是對塵埃的補充，可使原行星更快固定。它們可以形成5倍到1 0倍於地球質量的固體核。因為這一過程足夠快，吸積盤能夠保持富含氣體的狀態，核可以吸引濃厚的大氣層，所以可以形成像木星這樣巨大的氣體行星。早些時候到達木星的「朱諾」航天器的主要任務之一，就是檢查這顆行星是不是確實具有一個巨大的核。

這種情形自然會產生一個類似太陽系的恆星系統：距離恆星較近的範圍內產生小型岩石質行星，「雪線」以外產生與木星類似的巨型氣體行星，距離恆星越遠，這些巨型行星的體積越小，因為它們繞軌道運轉得很慢，吸積物質所花費的時間更長。所有行星都基本保持在它們形成時的位置上，在同一平面上以圓形軌道公轉，漂亮並且整潔。

飛馬座5 1b

但是熱木星的發現意味著這一理論有著嚴重的錯誤。我們原來認為，在距離恆星極近的軌道上運行的行星，公轉周期只有若干天，這限制了它形成過程中能夠吸積的物質數量。氣體巨星在這個位置上形成看上去令人難以置信。所以有人認為它們是在距離恆星更遠的外側形成之後遷移進來的。

理論學家提出了兩種可能的機制來解釋行星位置的重排。第一個機制叫作遷移：在巨型行星形成之後，吸積盤內有足夠的剩餘物質。行星引力讓吸積盤產生變形，在局部產生密度較高的區域，這些區域反過來對行星產生引力牽拉，使得行星逐漸向離恆星更近的內部飄移。

這一想法獲得了證據支持。相鄰的行星經常處於被稱為「軌道共振」的穩定引力相互作用關係中。這一現象產生的條件是它們的軌道長度具有小的整數比例關係。拿冥王星來說，它沿軌道繞太陽公轉兩圈，等於海王星繞太陽公轉三圈。這不太可能是行星生成時就具有的特點，因此它們應該是遷移到了如今的地點，被額外的穩定性鎖定在了這一軌道上。太陽系歷史早期的遷移可以解釋其他異常現象，例如火星為什麼會比地球小，以及稀疏和被瓦解的小行星帶。為了解釋這些現象，理論學家援引了被稱為「大策略」的運動過程，即木星起初在距離太陽更近的位置形成，向內飄移到接近地球軌道的位置上，然後再向外飄移到今天的軌道上。

一些模型學者認為這種情形不必要地複雜了。「我確實相信奧卡姆剃刀理論。」加州大學聖克魯茲分校的天文學家格里戈·勞克林說。勞克林提出，行星更有可能是在它們今天的位置上形成並穩定下來的。他說，如果原行星盤中含有更多物質，巨型行星就有可能在離恆星更近的位置生成。行星仍然可能產生一些運動——例如足以解釋軌道共振的移動——但是「這是最後的微調， 而不是像傳送帶那樣的大型運動」。

但其他人認為，在接近中心的位置根本不可能有足夠的物質來形成飛馬座5 1b， 以及其他甚至更靠近中心的巨型行星。「它們不可能在原位形成。」位於劍橋市麻省理工學院的物理學家約書亞· 維恩直白地表示。另外，那一部分數量可觀的在拉長和傾斜的軌道上運行甚至反向運行的行星，似乎意味著某種行星重排。

為了解釋這些異常天體，理論學家提出了引力混戰的觀點，而不是平靜的遷移。一個富含物質的吸積盤能夠產生很多相互靠近的行星，而互相之間的引力扭打，會把它們送入恆星、送上奇怪的軌道，甚至送出整個系統。另一個潛在的破壞者是位於拉長軌道上的一顆伴星。大多數時間裡，它距離太遠，不會產生任何影響，但偶爾它會內轉，製造混亂。或者，如果這個系統的恆星是一個緊密聯繫的星團中的一員，一顆相鄰的恆星就可能飄移到太近的距離，造成嚴重破壞。維恩說：「破壞一個系統的方式是很多的。」

開普勒空間望遠鏡令人驚訝地發現，類似太陽的恆星里，有6 0％都具有一顆超級地球，解釋這一點需要一套全新的理論。大多數超級地球被認為主要由固體岩石和金屬以及一定量的氣體組成，比地球處在更窄的軌道上，一顆恆星常常擁有若干顆超級地球。例如，開普勒-8 0系統具有4顆超級地球，它們的軌道周期全部是9天甚至更短。傳統理論認為，在雪線以內，核吸積過程過於緩慢，不會產生如此大的行星。超級地球很少被發現處在共振軌道上，這表明它們沒有發生遷移，而是在當前的位置上產生的。

A L M A

研究人員正在尋找解釋這一問題的方法。一種想法是，它們通過被稱為礫石吸積的過程完成了加速吸積。在富含物質的吸積盤中，氣體對礫石大小的物體產生拖曳，這總體上來講會讓它們速度減緩，導致它們向靠近恆星的方向飄移。如果它們在途中遇到微行星，緩慢的速度意味著它們可以更加容易地被微行星捕獲，推進吸積。但是更加快速的吸積和富含氣體的吸積盤有它們自己的問題：超級地球一旦超過特定的體量，應該會形成一個濃厚的大氣層。新澤西普林斯頓大學高等研究所的天體物理學家羅曼·拉菲科夫問：「怎麼才能防止它們變成氣體巨星？」

尤金· 蔣，加州大學伯克利分校的一位天文學家，說，只要吸積盤富含固體並且缺乏氣體，就沒有必要加速吸積。如果吸積盤內側的密度比形成太陽系的吸積盤高1 0倍，就可以輕易地產生一個或者多個超級地球。蔣認為，如果超級地球在吸積盤末期形成，此時氣體已經消散殆盡，就不會收集過多的殘留氣體。

系外行星H R 8 7 9 9 b 是一顆超級木星（想像中的衛星視角），繞其恆星公轉的軌道長達4 6 0 年。

阿塔卡馬大型毫米波/ 亞毫米波陣列（ALMA）的一些早期觀測支持這一假說，該國際設施位於智利北部，已經基本完工。ALMA 可以繪製吸積盤中溫暖的塵埃和礫石放射的電磁波譜。它目前已經研究的一些吸積盤看上去相當龐大。但是這些觀測不是確鑿證據，因為ALMA還沒有完全運轉，只能看見吸積盤的外側部分，而不是超級地球形成的內側。「靠近內側才是難點。」蔣說。當ALMA 的6 6根天線全部開始工作的時候，它就可能做到這一點。

蔣對開普勒空間望遠鏡的另一項發現也有一個解釋：超級膨脹體，一種罕見並且同樣帶來疑問的行星，比超級地球的質量更小，但是看上去非常巨大，擁有達到其質量2 0％的膨脹大氣層。這種行星被認為是在富含氣體的吸積盤內形成的。在吸積盤內側，溫暖的氣體會對抗行星微弱的引力，因此吸積盤外側寒冷並且稠密的氣體更有可能是這種行星的發源地。蔣援引遷移理論來解釋它們靠近內側的軌道——這一想法有證據支持，因為超級膨脹體一般都被鎖定在共振軌道上。

系外行星研究領域的大多數注意力目前都集中在恆星系統的內側部分，大約相當於木星軌道的距離內部，原因很簡單，這是目前的檢測手段能探測到的區域。兩種主要方法——測量恆星由於繞行的行星所產生的引力牽拉而導致的擺動，以及測量恆星由於行星從前方經過而造成的周期性變暗——都更傾向於檢測到近處軌道上的大型行星。獲得行星本身的圖像是相當困難的，因為它們微弱的光線都被恆星發出的耀眼光芒淹沒了，後者的亮度可以達到前者的1 0億倍。

但是通過讓世界上最大的天文望遠鏡超負荷運轉，天文學家直接看見了一小部分行星。在過去幾年當中，專門設計用來對系外行星成像的兩台新型儀器加入了這一搜尋。歐洲的高解析度光譜偏振法系外行星搜索儀（SPHERE）和美國出資支持的雙子座行星成像儀（GPI）被連接到智利的巨型天文望遠鏡上，並且裝備了精密的日冕儀來阻擋恆星的光線。不出所料，離恆星距離較遠的行星是最容易被觀測到的對象。

直接成像最早觀測到的是圍繞在恆星HR 8 7 9 9周圍的行星系統。在這個系統中，位於土星軌道距離之外直至海王星距離2倍的範圍內，有4顆行星。最令人驚訝的是，這4顆行星都十分巨大， 是木星質量的5倍多。根據理論，如此遙遠的軌道上的行星運行得十分緩慢，它們應該是以極其緩慢的速度生長，並且在吸積盤消散之前就達到了遠小於木星的質量極限。然而這些行星完美的圓形軌道表明，它們不是從更靠近恆星的地方被拋到這些軌道上的。

這些遙遠的巨型行星為標準理論最激進的挑戰提供了支持，也就是說，這些行星不是通過核吸積形成的，而是通過一種叫作引力不穩定性的過程形成的。這一過程需要一個富含氣體的原行星盤在自身引力下碎裂成團塊。這些氣體團塊會隨著時間變化直接坍縮成巨型行星，而不用首先形成一個固體的核。模型顯示，這種機制只有在特定的情況下才會起作用：氣體必須是冷的，不能旋轉過快，收縮的氣體必須能夠有效擺脫熱量。這一機制能否解釋HR 8 7 9 9的形成？拉菲科夫說，只有外側的兩顆行星足夠遙遠和寒冷時才可能，「這仍然是一個讓人十分困惑的系統」。

在過去，射電望遠鏡對原行星盤的觀測為引力不穩定性提供了證據支持。這些望遠鏡對冷氣體敏感，它們看見了散布著混亂、不對稱團塊的吸積盤。但是最近ALMA 拍攝的圖像展示了一幅不同的圖景。ALMA 對吸積盤中段平面塵埃顆粒放射出的短波敏感，它在2 0 1 4年對金牛座H L 拍攝的圖像和2 0 1 6年對長蛇座TW 拍攝的圖像，顯示了平滑、對稱的吸積盤，在比海王星軌道更遠的地方間有個環形暗紋缺口。「這是一個巨大的意外。這個吸積盤不是亂七八糟的，它具有平整、規則、漂亮的結構。」拉菲科夫說。這些圖像意味著行星清理了其軌道上的物質，通過核吸積作用生長，這對引力不穩定理論的支持者來說是個打擊。

GPI 和SPHERE 還會在行星系統的更遠邊緣做出什麼令人驚異的發現，目前判斷還為時尚早。偏遠地帶和接近中心處（熱木星和超級地球所在的位置）之間的區域仍然無法探測到：對直接成像儀器來說，它離恆星太近；對依賴恆星擺動和周期性變暗間接測量的儀器來說，它離恆星太遠。這使得理論學家難以對系外行星系統得出一個完整的描述。「我們的理論基於碎片化和不完整的觀測。」勞克林說，「目前，可能所有的人都是錯的。」

天文學家不用等太久就能獲得更好的數據了。2 0 1 7年，美國航空航天局會發射系外凌日行星調查衛星（T E S S），2 0 1 8年歐空局計劃發射系外行星描述衛星（CHEOPS）。與開普勒空間望遠鏡不同，「開普勒」對大量恆星進行了缺少細節的調查，彙編成系外行星的普查，而TESS和CHEOPS的探測會集中在離地球近的類太陽恆星上，讓研究者有機會探索吸積盤中段的未知區域。由於目標恆星在地球附近，地面天文望遠鏡應該能夠對它們的行星進行質量測量，使研究者能夠計算行星密度，從而弄清這些行星是岩石質的還是氣體的。

計劃於2 0 1 8年發射的詹姆斯· 韋伯空間望遠鏡會進一步對經過系外行星大氣層的光線進行分析，以確定其化學組成。「化學組成是行星形成的重要線索。」麥金托什說。例如，在超級地球的大氣層中找到較重的元素，可能說明為了足夠快地形成行星核，吸積盤中需要富含這種元素。下個1 0年，美國航空航天局的大視場紅外巡天望遠鏡和歐空局的行星凌日與振蕩觀測站這樣的航天器，將會和鏡面直徑達3 0米的新一代巨型地面太空望遠鏡一起，加入對系外行星的搜尋。

鑒於以往的經驗，模型學者需要忙個不停了。拉菲科夫說：「自然比我們的理論要聰明得多。」

T E S S 與C H E O P S

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