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禁戒的行星:认识曾被认为不可能的外星世界

2017-2-3 00:47| 投稿: xiaotiger

摘要: 20多年前,当天文学家在一颗普通恒星周围发现第一颗太阳系外行星时,他们既高兴又困惑。这颗行星被称为飞马51b,它的质量为木星的一半,但它为期仅4天的公转周期——远远小于水星的88天——使得它极端得靠近其宿主恒 ...

20多年前,当天文学家在一颗普通恒星周围发现第一颗太阳系外行星时,他们既高兴又困惑。这颗行星被称为飞马51b,它的质量为木星的一半,但它为期仅4天的公转周期——远远小于水星的88天——使得它极端得靠近其宿主恒星。研究行星形成的理论家们找不出一条途径能在距离新生恒星这么近密的地方形成一颗质量这么大的行星。它也许只是另类的个案,但很快在对太阳系外行星的搜索中涌现出了更多的“热类木星”,而另类程度则有增无减:它们有着大椭圆和高倾角的轨道,有些甚至以“逆向”绕恒星公转——与恒星的自转方向相反。

  2009年,美国宇航局开普勒探测器的发射加速了太阳系外行星搜寻的进程,它所发现的2500颗行星使得对其进行统计分析成为了可能,然而情况却变得越加令人困惑。“开普勒”发现银河系中最普遍的行星类型是一类大小介于地球和海王星之间的行星——被称为“超级地球”,太阳系中不存在这样的行星,它们曾被认为是几乎不可能形成的。现在,地面望远镜已经能直接探测到来自太阳系外行星的光,而不是像“开普勒”那样地做间接探测,但异常的情况依然不断。天文学们发现,质量数倍于木星的巨行星可以在2倍于海王星到太阳的距离上绕其宿主恒星公转——这是另一个理论家们认为不可能形成巨行星的区域。其他的行星系统则看起来一点也不像我们有序的太阳系,挑战着用来解释太阳系的经典理论。

  “很明显,从第一天开始情况就与预期的相去甚远,”美国斯坦福大学的物理学家布鲁斯·麦金托什(Bruce Macintosh)说,“理论从来就没有赶上了过观测。

  

  (从其假想卫星上所看到的)太阳系外行星HR 8799 b是一颗超级木星,它绕其宿主恒星公转一周需要460年。供图:Shea。

  理论家们正在试图迎头追赶,提出可以在曾被认为是禁区的地方形成不可能行星的办法。他们正在设想行星如何从比以往想象的更动荡也更混乱的环境中形成,在其他行星或者飞过恒星的影响下,新生行星的轨道会向内迁移,或者形状会被拉伸成大椭圆形,又或者干脆被抛射出系统。不过,正在不断膨胀的行星数目也意味着任何一个新的模型都是暂时的。“每一天你都会发现新的东西,”德国马普天文研究所的天体物理学家托马斯·亨宁(Thomas Henning)说,“这是一个大淘金的时代。”

  有关恒星和行星如何形成的经典模型可以追溯到18世纪,当时科学家们提出一个缓慢自转的尘埃和气体云会在自身的引力下坍缩。其中大部分的物质会形成一个球体,当其核心的密度和温度足够高时,它就能被点燃成为一颗恒星。引力和角动量会驱使存留下的物质在这颗原恒星周围形成一个扁平的盘。尘埃是把这个盘转变成一系列行星的关键。尘埃只占据了这个盘总质量的一小部分,由铁和其他固态的微小粒子组成。因为它们在转动的盘中螺旋运动,这些粒子偶尔会发生相互碰撞,进而通过电磁力粘在一起。经过数百万年的时间,尘埃会积聚成颗粒、卵石、巨砾并最终形成直径千米级的星子。

  从这开始引力接管大局,它会使得星子间会相互吸引,清空尘埃和气体,直到行星成形。到这个时候,要么是被恒星吞并,要么是被星风吹走,位于这个盘内侧的大部分气体已经消散。鲜有气体意味着内行星在很大程度上将由岩石构成,外加一个较薄的大气层。

  这一生长过程被称为核心吸积,它在这个盘的外侧进行的速度更快,在那里温度低到水可以结冰。在这一“雪线”之外的冰会对尘埃形成补充,使原行星能更快地固化形成。这个过程可以构建出一个质量为地球5~10倍的固体核心——它进行的速度之快,以致于在它完成时盘里还留存有大量的气体,于是这个核心就会吸引气体,形成一个浓厚的大气层,造就出一颗类似木星的气态巨行星。在2016年7月初抵达木星的美国宇航局朱诺探测器,其目标之一就是探测木星是否真的具有一个大质量的核心。

  在这种情况下会自然地形成一个与我们太阳系相似的行星系统:较小且拥有薄大气的岩质行星位于恒星附近,类似木星的气态巨行星位于雪线之外,随着距离的增加,其他巨行星的尺度越来越小,因为它们在轨道上运动的速度较慢,所以需要更长的时间才能吸积到物质。所有行星都大致位于它们形成时所在的地点,在同一平面内做圆形轨道运动。漂亮而整洁。

  但热类木星的发现表明这个理论中有些东西存在严重的问题。一颗轨道周期为数天的行星到其宿主恒星的距离非常近,这限制了在它形成的过程中所能吸积到的物质。在这样的一个位置上形成一颗气态巨行星是不可想象的。不可避免的结论是,它必定先形成于更为遥远的地方,然后运动至此。

  

  超级地球的崛起。在热类木星率先被发现之后,开普勒空间望远镜随后发现同样占据密近轨道的超级地球是最普遍的太阳系外行星类型。地面望远镜现在已经能对类似HR 8799 b这样的远距离巨行星进行直接成像。供图:Shea。

  理论家们为此提出了2种可能的机制。第一种被称为迁移,需要在巨行星形成之后的盘中仍留存有大量的物质。这颗行星的引力会扰动盘,形成高密度区域,这反过来会对该行星上施加引力“拖拽”,使其逐渐朝向恒星移动。

  这一理论得到了证据的支持。毗邻的行星往往会形成一种稳定的引力关系,被称为轨道共振。发生这种情况时,它们的轨道周期之间会呈整数比。例如,冥王星绕太阳2圈的时间等于海王星绕太阳3圈的时长。只是因为碰巧而形成这一构形的概率几乎为零,所以它们必定是迁移到这个位置上,然后被额外的稳定性锁住了。我们太阳系早期历史中的迁移过程还可以解释其他的古怪现象,包括火星的大小以及稀疏且混乱的小行星带。为了解释这些,理论家们需要制造出一场大迁徙,其中木星最初形成于较现在更靠近太阳的地方,然后向内几乎迁移到地球轨道,之后再向外移动到它当前的位置。

  一些理论家发现这样的过程过于复杂。“我相信奥卡姆剃刀,”美国加州大学圣克鲁兹分校的天文学家格雷格·劳克林(Greg Laughlin)说。劳克林认为,行星更可能形成并停留在原地。他说,对于大型的行星来说,如果原行星盘中包含有较此前认为的更多得多的物质,那么它们就有可能形成于靠近恒星的地方。行星的一些迁移过程仍然会发生——足以解释共振,但劳克林说:“这只是最终的一个微调,并不是大型的(行星)输送带”。

  但也有人认为,盘中根本就不会有足够的物质来形成类似飞马51b和其他距离甚至更近的行星。美国麻省理工学院的物理学家乔舒亚·温(Joshua Winn)直接表示:“它们不可能在原地形成。”有数目可观的行星具有大椭圆、高倾角甚至逆行的轨道也似乎暗示了某种搅乱行星的机制。

  对于这些特异的行星,理论家需要的是一场引力混战,而不是一次温和的迁移。一个物质丰厚的盘可能会形成许多彼此靠近的行星,那里的引力角力可以将它们射向恒星,或者把它们甩入奇怪的轨道,甚至把它们抛射出该系统。另一个潜在的破坏者是一颗位于细长椭圆轨道上的伴星。在大多数时候,它距离太远而无法施加影响,但偶尔它会出现并扰乱行星。或者,如果宿主恒星是一个密集星团中的一员,那么邻近恒星可能会靠得太近而肆虐行星。“有很多办法可以用来破坏一个行星系统,”温说。

  然而,“开普勒”的惊人发现,即60%的类太阳恒星拥有一颗超级地球,则需要一个全新的理论。大多数的超级地球,被认为主要由固态岩石和金属构成,外加适量的气体。它们的轨道比地球绕太阳的要小,并且一颗恒星常常会拥有数颗超级地球。例如,在开普勒-80系统中有4颗超级地球,它们的轨道周期都在9天之内。传统理论认为,雪线之内的核心吸积过程太慢无法形成这么大的行星。但另一方面,很少有超级地球处于轨道共振状态,这表明它们没有发生过迁移,是就地形成的。

  科学家们正在就解决这个问题提出各种方法。一个想法是通过被称为卵石吸积的过程来加速生长。一个富含气体的盘会对卵石大小的物体施加较强的阻力。这通常会使得它们减速,使得它们向着恒星漂移。如果沿途经过一个星子,较慢的速度意味着它们可以更容易地捕获,加速吸积过程。但是,更快的吸积和富含气体的盘也有自己的问题:一旦超过了特定的规模之后,超级地球应该会吸积气体形成一个浓厚的大气层。“你该如何阻止它们变成气态巨行星呢?”美国普林斯顿高等研究院的天体物理学家罗曼·拉菲科夫(Roman Rafikov)问道。

  

  新常态。天文学家曾认为,通过研究一个系统,他们已经知晓行星是如何形成的。这个系统就是我们的太阳系(上图)。但是,在过去的20年里,他们发现了看似是不可能的行星(下图),颠覆了既有的理论。供图:Shea。

  美国加州大学伯克利分校的天文学家尤金·蒋(Eugene Chiang)说,只要盘中富含固体而鲜有气体,就没有必要加速吸积。他说,一个密度10倍于太阳系的内侧盘可以轻易地形成1个或多个超级地球。当这些超级地球形成于盘中的绝大多数气体都已经消散时,它们就无法吸积过量的残余气体,进而变成巨行星。

  位于智利北部的国际合作项目阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA)的一些早期观测支持了这一观点。ALMA可以勘测盘中温度较高的尘埃和砾石所发出的射电辐射。到目前为止,它已经研究的几个盘质量似乎都比较大。不过这些观测还没有发现确凿的证据,因为ALMA尚未全面远转,它目前还只能看到盘的外侧区域,而非超级地球所在的地方。蒋说:“靠得更近是这里的诀窍。”当ALMA所有的66面天线都投入使用时,它就能做到这一点。

  蒋也解释了“开普勒”的另一个发现:超蓬松行星。有一些为数不多的行星,它们的质量小于超级地球,但外表看上去却十分巨大,其鼓胀的大气占据了它们总质量的20%。它们被认为是在一个富含气体的盘中所形成的。但在盘的内侧,高温气体会抵抗行星较弱的引力,因此盘外侧低温而稠密的气体更容易形成这些行星。蒋利用迁移来解释它们密近的轨道——支持该理论的观测证据是超蓬松的行星通常都被锁定在共振轨道内。

  目前大多数的太阳系外行星研究都把注意力集中在行星系统的内侧区域,大致相当于从太阳到木星的距离,原因很简单这是现有探测手段可以看到的地方。现有的2种主要探测方法——测量因绕转行星引力所导致的宿主恒星运动以及测量行星从恒星圆面前方经过所导致的宿主恒星亮度周期性变暗——都有利于发现近密的巨行星。对行星直接成像非常困难,因为它们所发出的光极其微弱,会湮没在亮度是它们数十亿倍的恒星光芒之中。

  但是,通过把世界上最大的望远镜推向极限,天文学家们已经直接观测到了少量的行星。在过去几年中,有2台专门为此设计的仪器也加入到了直接成像太阳系外行星的行列中。欧洲的分光偏振高对比度太阳系外行星研究(SPHERE)和美国的双子行星成像仪(GPI)已经连接到了位于智利的大型望远镜上,它们会使用先进的星冕仪来遮挡恒星的光。于是,很自然地,远离宿主恒星的行星是它们最容易探测的目标。

  最早由直接成像发现也最为惊人的太阳系外行星系统之一是围绕恒星HR 8799的,其中有4颗行星的轨道从超过土星到太阳的距离到超过2倍于海王星到太阳的距离不等。最令人惊讶的是,所有这4颗行星都是巨行星,总质量是木星的5倍以上。根据现有理论,在如此远的轨道行星运动速度太慢,在盘消散之前它们的生长速度极慢,质量应该远小于木星。然而,这些行星优美的圆轨道表明,它们并非是从更靠近其宿主恒星的地方被甩到这里的。

  

  金牛HL原行星盘的图像。有行星正在这些盘缝中形成?供图:Shea。

  这些遥远的巨行星支持了对标准理论的最激进挑战,后者认为一些行星并非是由核心吸积形成的,而是通过一种被称为引力不稳定性的过程。这个过程需要一个富含气体的原行星盘,它会在自身引力的作用下分裂成团块。在不需要先形成一个固体内核的情况下,这些气体团块会随着时间直接坍缩成巨行星。模型表明,这一机制仅在特定的情况下才能奏效:气体必须处于低温,转动的速度不能太快,坍缩的气体必须还要能有效地散发出热量。用它可以解释HR 8799的行星吗?拉菲科夫说,只有最外侧的2颗足够远,温度也足够低。他说:“它仍然是相当令人费解的行星系统。”

  在过去,对原行星盘的射电望远镜观测已经为引力不稳定性提供了一些支持。对低温气体敏感的这些望远镜观测到了具有杂乱且不对称团块盘。但ALMA最近所观测的图像则描绘出了不同的景象。ALMA对波长更短的辐射敏感,它们是由盘中央平面内的尘埃颗粒所发出的。它2014年对恒星金牛HL和2016年对长蛇TW的观测显示它们具有平滑且对称的盘,在这些盘中还存在有黑色的圆形“盘缝”,它们可以延伸到海王星到太阳的距离之外(见下图)。“这是一个巨大的惊喜。这个盘并不杂乱,反而有一个漂亮的规则结构,”拉菲科夫说。这些图像表明,在通过核心吸积生长的过程中,行星清除掉了其轨道上的物质,对引力不稳定性理论来说是一个打击。

  现在谈论GPI和SPHERE会在太阳系外行星系统的外侧给我们带来哪些惊喜还为时过早。但是,介于这些偏远地区和热类木星以及超级地球所处近距区域之间的范围仍然是遥不可及的:太靠近恒星无法直接成像,对于测量恒星摆动或者变暗的间接技术而言太过遥远。于是,理论家们很难得太阳系外行星系统的全貌。“我们目前的认识建立在零碎和不完整的观测基础之上,”劳克林说,“眼下,每个人都可能是错误的。

  天文学家不必等太久将就得到更好的数据。2017年,美国宇航局将发射其太阳系外行星巡天卫星(TESS),而2018年欧洲空间局局则有望发射描绘太阳系外行星卫星(CHEOPS)。不同于开普勒——它通过监视大量恒星来对太阳系外行星进行疏于细节地搜寻,TESS和CHEOPS将针距离地球较近的明亮类太阳恒星,使天文学家能够探测行星系统中位于中间的未知地带。另外,由于目标恒星都是近距恒星,地面望远镜应该能够测定其行星的质量,使天文学家能够计算出行星的密度,由此可以知道它是岩质的还是气态的。

  计划于2018年发射的詹姆斯·韦布空间望远镜则会走得更远,它会分析穿过太阳系外行星大气层的星光,进而测定该行星大气的成分。“对于形成过程来说,成分是一条重要的线索,”麦金塔说。例如,在超级地球的大气层中发现较重的元素会表明,需要富含这种原色的盘才能以足够快的速度形成行星核心。未来十年,和下一代口径30米级的地面望远镜一起,美国宇航局的大视场红外巡天望远镜与欧洲空间局的行星凌星和振荡探测器也将加入这一行列。

  如果说过去是从容地根据观测来修改模型,那么未来理论家们就必须要紧跟新发现的脚步。拉菲科夫说:“自然可比我们的理论更加聪明。”

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