禁戒的行星：認識曾被認為不可能的外星世界

Shea

松鼠名片

謝懿，科學松鼠會成員，天文學博士，副教授，目前在南京大學天文與空間科學學院任教。此外，還擔任天文科普雜誌《天文愛好者》編委，以及一些科普文章的編譯者。個人簽名：把天文學帶給大眾。

（Shea/編譯）20多年前，當天文學家在一顆普通恆星周圍發現第一顆太陽系外行星時，他們既高興又困惑。這顆行星被稱為飛馬51b，它的質量為木星的一半，但它為期僅4天的公轉周期——遠遠小於水星的88天——使得它極端地靠近其宿主恆星。研究行星形成的理論家們找不出一條途徑能在距離新生恆星這麼近密的地方形成一顆質量這麼大的行星。它也許只是另類的個案，但很快在對太陽系外行星的搜索中湧現出了更多的「熱類木星」，而另類程度則有增無減：它們有著大橢圓和高傾角的軌道，有些甚至以「逆向」繞恆星公轉——與恆星的自轉方向相反。

2009年，美國宇航局開普勒探測器的發射加速了太陽系外行星搜尋的進程，它所發現的2500顆行星使得對其進行統計分析成為了可能，然而情況卻變得越加令人困惑。「開普勒」發現銀河系中最普遍的行星類型是一類大小介於地球和海王星之間的行星——被稱為「超級地球」，太陽系中不存在這樣的行星，它們曾被認為是幾乎不可能形成的。現在，地面望遠鏡已經能直接探測到來自太陽系外行星的光，而不是像「開普勒」那樣地做間接探測，但異常的情況依然不斷。天文學們發現，質量數倍於木星的巨行星可以在2倍于海王星到太陽的距離上繞其宿主恆星公轉——這是另一個理論家們認為不可能形成巨行星的區域。其他的行星系統則看起來一點也不像我們有序的太陽系，挑戰著用來解釋太陽系的經典理論。

「很明顯，從第一天開始情況就與預期的相去甚遠，」美國斯坦福大學的物理學家布魯斯·麥金托什（Bruce Macintosh）說，「理論從來就沒有趕上過觀測。」

（從其假想衛星上所看到的）太陽系外行星HR 8799 b是一顆超級木星，它繞其宿主恆星公轉一周需要460年。

理論家們正在試圖迎頭追趕，提出可以在曾被認為是禁區的地方形成不可能行星的辦法。他們正在設想行星如何從比以往想像的更動蕩也更混亂的環境中形成，在其他行星或者飛過恆星的影響下，新生行星的軌道會向內遷移，或者形狀會被拉伸成大橢圓形，又或者乾脆被拋射出系統。不過，正在不斷膨脹的行星數目也意味著任何一個新的模型都是暫時的。「每一天你都會發現新的東西，」德國馬普天文研究所的天體物理學家托馬斯·亨寧（Thomas Henning）說，「這是一個大淘金的時代。」

有關恆星和行星如何形成的經典模型可以追溯到18世紀，當時科學家們提出一個緩慢自轉的塵埃和氣體雲會在自身的引力下坍縮。其中大部分的物質會形成一個球體，當其核心的密度和溫度足夠高時，它就能被點燃成為一顆恆星。引力和角動量會驅使存留下的物質在這顆原恆星周圍形成一個扁平的盤。塵埃是把這個盤轉變成一系列行星的關鍵。塵埃只佔據了這個盤總質量的一小部分，由鐵和其他固態的微小粒子組成。因為它們在轉動的盤中螺旋運動，這些粒子偶爾會發生相互碰撞，進而通過電磁力粘在一起。經過數百萬年的時間，塵埃會積聚成顆粒、卵石、巨礫並最終形成直徑千米級的星子。

從這開始引力接管大局，它會使得星子間會相互吸引，清空塵埃和氣體，直到行星成形。到這個時候，要麼是被恆星吞併，要麼是被星風吹走，位於這個盤內側的大部分氣體已經消散。鮮有氣體意味著內行星在很大程度上將由岩石構成，外加一個較薄的大氣層。

這一生長過程被稱為核心吸積，它在這個盤的外側進行的速度更快，在那裡溫度低到水可以結冰。在這一「雪線」之外的冰會對塵埃形成補充，使原行星能更快地固化形成。這個過程可以構建出一個質量為地球5～10倍的固體核心——它進行的速度之快，以致於在它完成時盤裡還留存有大量的氣體，於是這個核心就會吸引氣體，形成一個濃厚的大氣層，造就出一顆類似木星的氣態巨行星。在2016年7月初抵達木星的美國宇航局朱諾探測器，其目標之一就是探測木星是否真的具有一個大質量的核心。

在這種情況下會自然地形成一個與我們太陽系相似的行星系統：較小且擁有薄大氣的岩質行星位於恆星附近，類似木星的氣態巨行星位於雪線之外，隨著距離的增加，其他巨行星的尺度越來越小，因為它們在軌道上運動的速度較慢，所以需要更長的時間才能吸積到物質。所有行星都大致位於它們形成時所在的地點，在同一平面內做圓形軌道運動。漂亮而整潔。

但熱類木星的發現表明這個理論中有些東西存在嚴重的問題。一顆軌道周期為數天的行星到其宿主恆星的距離非常近，這限制了在它形成的過程中所能吸積到的物質。在這樣的一個位置上形成一顆氣態巨行星是不可想像的。不可避免的結論是，它必定先形成於更為遙遠的地方，然後運動至此。

超級地球的崛起。在熱類木星率先被發現之後，開普勒空間望遠鏡隨後發現同樣佔據密近軌道的超級地球是最普遍的太陽系外行星類型。地面望遠鏡現在已經能對類似HR 8799 b這樣的遠距離巨行星進行直接成像。

理論家們為此提出了2種可能的機制。第一種被稱為遷移，需要在巨行星形成之後的盤中仍留存有大量的物質。這顆行星的引力會擾動盤，形成高密度區域，這反過來會對該行星上施加引力「拖拽」，使其逐漸朝向恆星移動。

這一理論得到了證據的支持。毗鄰的行星往往會形成一種穩定的引力關係，被稱為軌道共振。發生這種情況時，它們的軌道周期之間會呈整數比。例如，冥王星繞太陽2圈的時間等於海王星繞太陽3圈的時長。只是因為碰巧而形成這一構形的概率幾乎為零，所以它們必定是遷移到這個位置上，然後被額外的穩定性鎖住了。我們太陽系早期歷史中的遷移過程還可以解釋其他的古怪現象，包括火星的大小以及稀疏且混亂的小行星帶。為了解釋這些，理論家們需要製造出一場大遷徙，其中木星最初形成於較現在更靠近太陽的地方，然後向內幾乎遷移到地球軌道，之後再向外移動到它當前的位置。

一些理論家發現這樣的過程過於複雜。「我相信奧卡姆剃刀，」美國加州大學聖克魯茲分校的天文學家格雷格·勞克林（Greg Laughlin）說。勞克林認為，行星更可能形成並停留在原地。他說，對於大型的行星來說，如果原行星盤中包含有較此前認為的更多得多的物質，那麼它們就有可能形成於靠近恆星的地方。行星的一些遷移過程仍然會發生——足以解釋共振，但勞克林說：「這只是最終的一個微調，並不是大型的（行星）輸送帶」。

但也有人認為，盤中根本就不會有足夠的物質來形成類似飛馬51b和其他距離甚至更近的行星。美國麻省理工學院的物理學家喬舒亞·溫（Joshua Winn）直接表示：「它們不可能在原地形成。」有數目可觀的行星具有大橢圓、高傾角甚至逆行的軌道也似乎暗示了某種攪亂行星的機制。

對於這些特異的行星，理論家需要的是一場引力混戰，而不是一次溫和的遷移。一個物質豐厚的盤可能會形成許多彼此靠近的行星，那裡的引力角力可以將它們射向恆星，或者把它們甩入奇怪的軌道，甚至把它們拋射出該系統。另一個潛在的破壞者是一顆位於細長橢圓軌道上的伴星。在大多數時候，它距離太遠而無法施加影響，但偶爾它會出現並擾亂行星。或者，如果宿主恆星是一個密集星團中的一員，那麼鄰近恆星可能會靠得太近而肆虐行星。「有很多辦法可以用來破壞一個行星系統，」溫說。

然而，「開普勒」的驚人發現，即60%的類太陽恆星擁有一顆超級地球，則需要一個全新的理論。大多數的超級地球，被認為主要由固態岩石和金屬構成，外加適量的氣體。它們的軌道比地球繞太陽的要小，並且一顆恆星常常會擁有數顆超級地球。例如，在開普勒-80系統中有4顆超級地球，它們的軌道周期都在9天之內。傳統理論認為，雪線之內的核心吸積過程太慢無法形成這麼大的行星。但另一方面，很少有超級地球處於軌道共振狀態，這表明它們沒有發生過遷移，是就地形成的。

科學家們正在就解決這個問題提出各種方法。一個想法是通過被稱為卵石吸積的過程來加速生長。一個富含氣體的盤會對卵石大小的物體施加較強的阻力。這通常會使得它們減速，使得它們向著恆星漂移。如果沿途經過一個星子，較慢的速度意味著它們可以更容易地捕獲，加速吸積過程。但是，更快的吸積和富含氣體的盤也有自己的問題：一旦超過了特定的規模之後，超級地球應該會吸積氣體形成一個濃厚的大氣層。「你該如何阻止它們變成氣態巨行星呢？」美國普林斯頓高等研究院的天體物理學家羅曼·拉菲科夫（Roman Rafikov）問道。

新常態。天文學家曾認為，通過研究一個系統，他們已經知曉行星是如何形成的。這個系統就是我們的太陽系（上圖）。但是，在過去的20年里，他們發現了看似是不可能的行星（下圖），顛覆了既有的理論。

美國加州大學伯克利分校的天文學家尤金·蔣（Eugene Chiang）說，只要盤中富含固體而鮮有氣體，就沒有必要加速吸積。他說，一個密度10倍於太陽系的內側盤可以輕易地形成1個或多個超級地球。當這些超級地球形成於盤中的絕大多數氣體都已經消散時，它們就無法吸積過量的殘餘氣體，進而變成巨行星。

位於智利北部的國際合作項目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了這一觀點。ALMA可以勘測盤中溫度較高的塵埃和礫石所發出的射電輻射。到目前為止，它已經研究的幾個盤質量似乎都比較大。不過這些觀測還沒有發現確鑿的證據，因為ALMA尚未全面遠轉，它目前還只能看到盤的外側區域，而非超級地球所在的地方。蔣說：「靠得更近是這裡的訣竅。」當ALMA所有的66面天線都投入使用時，它就能做到這一點。

蔣也解釋了「開普勒」的另一個發現：超蓬鬆行星。有一些為數不多的行星，它們的質量小於超級地球，但外表看上去卻十分巨大，其鼓脹的大氣佔據了它們總質量的20%。它們被認為是在一個富含氣體的盤中所形成的。但在盤的內側，高溫氣體會抵抗行星較弱的引力，因此盤外側低溫而稠密的氣體更容易形成這些行星。蔣利用遷移來解釋它們密近的軌道——支持該理論的觀測證據是超蓬鬆的行星通常都被鎖定在共振軌道內。

目前大多數的太陽系外行星研究都把注意力集中在行星系統的內側區域，大致相當於從太陽到木星的距離，原因很簡單這是現有探測手段可以看到的地方。現有的2種主要探測方法——測量因繞轉行星引力所導致的宿主恆星運動以及測量行星從恆星圓面前方經過所導致的宿主恆星亮度周期性變暗——都有利於發現近密的巨行星。對行星直接成像非常困難，因為它們所發出的光極其微弱，會湮沒在亮度是它們數十億倍的恆星光芒之中。

但是，通過把世界上最大的望遠鏡推向極限，天文學家們已經直接觀測到了少量的行星。在過去幾年中，有2台專門為此設計的儀器也加入到了直接成像太陽系外行星的行列中。歐洲的分光偏振高對比度太陽系外行星研究（SPHERE）和美國的雙子行星成像儀（GPI）已經連接到了位於智利的大型望遠鏡上，它們會使用先進的星冕儀來遮擋恆星的光。於是，很自然地，遠離宿主恆星的行星是它們最容易探測的目標。

最早由直接成像發現也最為驚人的太陽系外行星系統之一是圍繞恆星HR 8799的，其中有4顆行星的軌道從超過土星到太陽的距離到超過2倍于海王星到太陽的距離不等。最令人驚訝的是，所有這4顆行星都是巨行星，總質量是木星的5倍以上。根據現有理論，在如此遠的軌道行星運動速度太慢，在盤消散之前它們的生長速度極慢，質量應該遠小於木星。然而，這些行星優美的圓軌道表明，它們並非是從更靠近其宿主恆星的地方被甩到這裡的。

金牛HL原行星盤的圖像。有行星正在這些盤縫中形成？

這些遙遠的巨行星支持了對標準理論的最激進挑戰，後者認為一些行星並非是由核心吸積形成的，而是通過一種被稱為引力不穩定性的過程。這個過程需要一個富含氣體的原行星盤，它會在自身引力的作用下分裂成團塊。在不需要先形成一個固體內核的情況下，這些氣體團塊會隨著時間直接坍縮成巨行星。模型表明，這一機制僅在特定的情況下才能奏效：氣體必須處於低溫，轉動的速度不能太快，坍縮的氣體必須還要能有效地散發出熱量。用它可以解釋HR 8799的行星嗎？拉菲科夫說，只有最外側的2顆足夠遠，溫度也足夠低。他說：「它仍然是相當令人費解的行星系統。」

在過去，對原行星盤的射電望遠鏡觀測已經為引力不穩定性提供了一些支持。對低溫氣體敏感的這些望遠鏡觀測到了具有雜亂且不對稱團塊盤。但ALMA最近所觀測的圖像則描繪出了不同的景象。ALMA對波長更短的輻射敏感，它們是由盤中央平面內的塵埃顆粒所發出的。它2014年對恆星金牛HL和2016年對長蛇TW的觀測顯示它們具有平滑且對稱的盤，在這些盤中還存在有黑色的圓形「盤縫」，它們可以延伸到海王星到太陽的距離之外（見下圖）。「這是一個巨大的驚喜。這個盤並不雜亂，反而有一個漂亮的規則結構，」拉菲科夫說。這些圖像表明，在通過核心吸積生長的過程中，行星清除掉了其軌道上的物質，對引力不穩定性理論來說是一個打擊。

現在談論GPI和SPHERE會在太陽系外行星系統的外側給我們帶來哪些驚喜還為時過早。但是，介於這些偏遠地區和熱類木星以及超級地球所處近距區域之間的範圍仍然是遙不可及的：太靠近恆星無法直接成像，對於測量恆星擺動或者變暗的間接技術而言太過遙遠。於是，理論家們很難得太陽系外行星系統的全貌。「我們目前的認識建立在零碎和不完整的觀測基礎之上，」勞克林說，「眼下，每個人都可能是錯誤的。」

天文學家不必等太久將就得到更好的數據。2017年，美國宇航局將發射其太陽系外行星巡天衛星（TESS），而2018年歐洲空間局局則有望發射描繪太陽系外行星衛星（CHEOPS）。不同於開普勒——它通過監視大量恆星來對太陽系外行星進行疏於細節地搜尋，TESS和CHEOPS將針距離地球較近的明亮類太陽恆星，使天文學家能夠探測行星系統中位於中間的未知地帶。另外，由於目標恆星都是近距恆星，地面望遠鏡應該能夠測定其行星的質量，使天文學家能夠計算出行星的密度，由此可以知道它是岩質的還是氣態的。

計劃於2018年發射的詹姆斯·韋布空間望遠鏡則會走得更遠，它會分析穿過太陽系外行星大氣層的星光，進而測定該行星大氣的成分。「對於形成過程來說，成分是一條重要的線索，」麥金塔說。例如，在超級地球的大氣層中發現較重的元素會表明，需要富含這種原色的盤才能以足夠快的速度形成行星核心。未來十年，和下一代口徑30米級的地面望遠鏡一起，美國宇航局的大視場紅外巡天望遠鏡與歐洲空間局的行星凌星和振蕩探測器也將加入這一行列。

如果說過去是從容地根據觀測來修改模型，那麼未來理論家們就必須要緊跟新發現的腳步。拉菲科夫說：「自然可比我們的理論更加聰明。」

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