2 0年前，天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)圍繞一顆正常恒星旋轉(zhuǎn)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恒星，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(xué)家無法解釋一顆如此巨大的行星如何能在一顆新生的恒星周圍如此狹窄的范圍里生成。如果不是因?yàn)樗褜は低庑行菚r(shí)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(shí)，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，甚至繞恒星反向公轉(zhuǎn)的行星——公轉(zhuǎn)方向與恒星自轉(zhuǎn)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(yuǎn)鏡升空，搜尋行星的進(jìn)程加快了，它發(fā)現(xiàn)的2 5 0 0個(gè)太陽系外的天體系統(tǒng)為系外行星研究增加了統(tǒng)計(jì)學(xué)重量，同時(shí)也帶來了更多困惑。開普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)銀河系內(nèi)最常見的行星體量介于地球和海王星之間，這類行星被稱為“超級(jí)地球”，在內(nèi)太陽系沒有這種行星存在，同時(shí)也被認(rèn)為是不可能在內(nèi)太陽系形成的。
現(xiàn)在，地面的天文望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡那樣，間接檢測它們的存在。這些地面天文望遠(yuǎn)鏡搜集到的數(shù)據(jù)同樣顯示了異常行星的存在。它們發(fā)現(xiàn)了體量為木星數(shù)倍的巨型行星，以海王星與太陽距離的2倍圍繞它們的恒星運(yùn)轉(zhuǎn)——這是另一個(gè)理論學(xué)家認(rèn)為的不可能生成大型行星的區(qū)域。其他恒星系統(tǒng)跟我們有序的太陽系完全不同，這給那些用于解釋行星形成的、我們耳熟能詳?shù)睦碚搸砹颂魬?zhàn)。
斯坦福大學(xué)物理學(xué)家布魯斯·麥金托什說：“從第一天開始，理論無法和現(xiàn)實(shí)很好契合這一點(diǎn)就很明顯，從來沒有哪一個(gè)理論能跟得上觀測?！?/span>
理論學(xué)家正在試著迎頭趕上——尋找合理情形來解釋之前被認(rèn)為不可能存在的行星，如何在不可能生成行星的區(qū)域內(nèi)生成。他們?cè)O(shè)想，行星在比之前認(rèn)識(shí)到的更為機(jī)動(dòng)和混亂的環(huán)境中形成，然后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(fā)現(xiàn)的越來越多的獨(dú)特行星意味著每個(gè)新的理論模型都只是暫時(shí)的。德國海德堡馬克斯· 普朗克研究所的天體物理學(xué)家托馬斯·亨寧說：“每天都能發(fā)現(xiàn)新東西，這種情況就像是淘金?！?/span>
恒星和它的行星系統(tǒng)形成的傳統(tǒng)模型可以追溯到1 8世紀(jì)，當(dāng)時(shí)的科學(xué)家提出緩慢旋轉(zhuǎn)的塵埃和氣體云可以在自身引力下坍縮。大多數(shù)物質(zhì)形成球狀，當(dāng)內(nèi)核密度足夠大、溫度足夠高時(shí)會(huì)被點(diǎn)燃形成恒星。在引力和角動(dòng)量的作用下，剩余的物質(zhì)在原恒星周圍形成扁平的吸積盤。塵埃是這個(gè)吸積盤形成一系列行星的關(guān)鍵。這些僅占據(jù)吸積盤質(zhì)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(zhuǎn)的過程中，這些顆粒偶爾會(huì)發(fā)生碰撞并由電磁力粘連在一起。在數(shù)百萬年的進(jìn)程中，塵埃堆積成顆粒，顆粒形成礫石，礫石生成巖石，最終產(chǎn)生數(shù)千米寬的微行星。
此時(shí)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(shí)吸積盤內(nèi)側(cè)大多數(shù)氣體已經(jīng)被清理干凈，不是被恒星吞噬就是被恒星風(fēng)吹散了。氣體的缺乏意味著靠近恒星的行星大部分是巖石質(zhì)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(cè)溫度足夠低、能夠使水凍結(jié)的區(qū)域進(jìn)行得更快。這一“雪線”之外的冰是對(duì)塵埃的補(bǔ)充，可使原行星更快固定。它們可以形成5倍到1 0倍于地球質(zhì)量的固體核。因?yàn)檫@一過程足夠快，吸積盤能夠保持富含氣體的狀態(tài)，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(shí)候到達(dá)木星的“朱諾”航天器的主要任務(wù)之一，就是檢查這顆行星是不是確實(shí)具有一個(gè)巨大的核。
這種情形自然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)類似太陽系的恒星系統(tǒng)：距離恒星較近的范圍內(nèi)產(chǎn)生小型巖石質(zhì)行星，“雪線”以外產(chǎn)生與木星類似的巨型氣體行星，距離恒星越遠(yuǎn)，這些巨型行星的體積越小，因?yàn)樗鼈兝@軌道運(yùn)轉(zhuǎn)得很慢，吸積物質(zhì)所花費(fèi)的時(shí)間更長。所有行星都基本保持在它們形成時(shí)的位置上，在同一平面上以圓形軌道公轉(zhuǎn)，漂亮并且整潔。
飛馬座5 1b
但是熱木星的發(fā)現(xiàn)意味著這一理論有著嚴(yán)重的錯(cuò)誤。我們?cè)瓉碚J(rèn)為，在距離恒星極近的軌道上運(yùn)行的行星，公轉(zhuǎn)周期只有若干天，這限制了它形成過程中能夠吸積的物質(zhì)數(shù)量。氣體巨星在這個(gè)位置上形成看上去令人難以置信。所以有人認(rèn)為它們是在距離恒星更遠(yuǎn)的外側(cè)形成之后遷移進(jìn)來的。
理論學(xué)家提出了兩種可能的機(jī)制來解釋行星位置的重排。第一個(gè)機(jī)制叫作遷移：在巨型行星形成之后，吸積盤內(nèi)有足夠的剩余物質(zhì)。行星引力讓吸積盤產(chǎn)生變形，在局部產(chǎn)生密度較高的區(qū)域，這些區(qū)域反過來對(duì)行星產(chǎn)生引力牽拉，使得行星逐漸向離恒星更近的內(nèi)部飄移。
這一想法獲得了證據(jù)支持。相鄰的行星經(jīng)常處于被稱為“軌道共振”的穩(wěn)定引力相互作用關(guān)系中。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的條件是它們的軌道長度具有小的整數(shù)比例關(guān)系。拿冥王星來說，它沿軌道繞太陽公轉(zhuǎn)兩圈，等于海王星繞太陽公轉(zhuǎn)三圈。這不太可能是行星生成時(shí)就具有的特點(diǎn)，因此它們應(yīng)該是遷移到了如今的地點(diǎn)，被額外的穩(wěn)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?，F(xiàn)象，例如火星為什么會(huì)比地球小，以及稀疏和被瓦解的小行星帶。為了解釋這些現(xiàn)象，理論學(xué)家援引了被稱為“大策略”的運(yùn)動(dòng)過程，即木星起初在距離太陽更近的位置形成，向內(nèi)飄移到接近地球軌道的位置上，然后再向外飄移到今天的軌道上。
一些模型學(xué)者認(rèn)為這種情形不必要地復(fù)雜了?！拔掖_實(shí)相信奧卡姆剃刀理論?！奔又荽髮W(xué)圣克魯茲分校的天文學(xué)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并穩(wěn)定下來的。他說，如果原行星盤中含有更多物質(zhì)，巨型行星就有可能在離恒星更近的位置生成。行星仍然可能產(chǎn)生一些運(yùn)動(dòng)——例如足以解釋軌道共振的移動(dòng)——但是“這是最后的微調(diào)， 而不是像傳送帶那樣的大型運(yùn)動(dòng)”。
但其他人認(rèn)為，在接近中心的位置根本不可能有足夠的物質(zhì)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?！蔽挥趧蚴新槭±砉W(xué)院的物理學(xué)家約書亞· 維恩直白地表示。另外，那一部分?jǐn)?shù)量可觀的在拉長和傾斜的軌道上運(yùn)行甚至反向運(yùn)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(xué)家提出了引力混戰(zhàn)的觀點(diǎn)，而不是平靜的遷移。一個(gè)富含物質(zhì)的吸積盤能夠產(chǎn)生很多相互靠近的行星，而互相之間的引力扭打，會(huì)把它們送入恒星、送上奇怪的軌道，甚至送出整個(gè)系統(tǒng)。另一個(gè)潛在的破壞者是位于拉長軌道上的一顆伴星。大多數(shù)時(shí)間里，它距離太遠(yuǎn)，不會(huì)產(chǎn)生任何影響，但偶爾它會(huì)內(nèi)轉(zhuǎn)，制造混亂?；蛘?，如果這個(gè)系統(tǒng)的恒星是一個(gè)緊密聯(lián)系的星團(tuán)中的一員，一顆相鄰的恒星就可能飄移到太近的距離，造成嚴(yán)重破壞。維恩說：“破壞一個(gè)系統(tǒng)的方式是很多的。”
開普勒空間望遠(yuǎn)鏡令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，類似太陽的恒星里，有6 0％都具有一顆超級(jí)地球，解釋這一點(diǎn)需要一套全新的理論。大多數(shù)超級(jí)地球被認(rèn)為主要由固體巖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，一顆恒星常常擁有若干顆超級(jí)地球。例如，開普勒-8 0系統(tǒng)具有4顆超級(jí)地球，它們的軌道周期全部是9天甚至更短。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，在雪線以內(nèi)，核吸積過程過于緩慢，不會(huì)產(chǎn)生如此大的行星。超級(jí)地球很少被發(fā)現(xiàn)處在共振軌道上，這表明它們沒有發(fā)生遷移，而是在當(dāng)前的位置上產(chǎn)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(zhì)的吸積盤中，氣體對(duì)礫石大小的物體產(chǎn)生拖曳，這總體上來講會(huì)讓它們速度減緩，導(dǎo)致它們向靠近恒星的方向飄移。如果它們?cè)谕局杏龅轿⑿行?，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(jìn)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(jí)地球一旦超過特定的體量，應(yīng)該會(huì)形成一個(gè)濃厚的大氣層。新澤西普林斯頓大學(xué)高等研究所的天體物理學(xué)家羅曼·拉菲科夫問：“怎么才能防止它們變成氣體巨星？”
尤金· 蔣，加州大學(xué)伯克利分校的一位天文學(xué)家，說，只要吸積盤富含固體并且缺乏氣體，就沒有必要加速吸積。如果吸積盤內(nèi)側(cè)的密度比形成太陽系的吸積盤高1 0倍，就可以輕易地產(chǎn)生一個(gè)或者多個(gè)超級(jí)地球。蔣認(rèn)為，如果超級(jí)地球在吸積盤末期形成，此時(shí)氣體已經(jīng)消散殆盡，就不會(huì)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(jí)木星（想象中的衛(wèi)星視角），繞其恒星公轉(zhuǎn)的軌道長達(dá)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(shè)施位于智利北部，已經(jīng)基本完工。ALMA 可以繪制吸積盤中溫暖的塵埃和礫石放射的電磁波譜。它目前已經(jīng)研究的一些吸積盤看上去相當(dāng)龐大。但是這些觀測不是確鑿證據(jù)，因?yàn)锳LMA還沒有完全運(yùn)轉(zhuǎn)，只能看見吸積盤的外側(cè)部分，而不是超級(jí)地球形成的內(nèi)側(cè)?！翱拷鼉?nèi)側(cè)才是難點(diǎn)?！笔Y說。當(dāng)ALMA 的6 6根天線全部開始工作的時(shí)候，它就可能做到這一點(diǎn)。
蔣對(duì)開普勒空間望遠(yuǎn)鏡的另一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)也有一個(gè)解釋：超級(jí)膨脹體，一種罕見并且同樣帶來疑問的行星，比超級(jí)地球的質(zhì)量更小，但是看上去非常巨大，擁有達(dá)到其質(zhì)量2 0％的膨脹大氣層。這種行星被認(rèn)為是在富含氣體的吸積盤內(nèi)形成的。在吸積盤內(nèi)側(cè)，溫暖的氣體會(huì)對(duì)抗行星微弱的引力，因此吸積盤外側(cè)寒冷并且稠密的氣體更有可能是這種行星的發(fā)源地。蔣援引遷移理論來解釋它們靠近內(nèi)側(cè)的軌道——這一想法有證據(jù)支持，因?yàn)槌?jí)膨脹體一般都被鎖定在共振軌道上。
系外行星研究領(lǐng)域的大多數(shù)注意力目前都集中在恒星系統(tǒng)的內(nèi)側(cè)部分，大約相當(dāng)于木星軌道的距離內(nèi)部，原因很簡單，這是目前的檢測手段能探測到的區(qū)域。兩種主要方法——測量恒星由于繞行的行星所產(chǎn)生的引力牽拉而導(dǎo)致的擺動(dòng)，以及測量恒星由于行星從前方經(jīng)過而造成的周期性變暗——都更傾向于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(dāng)困難的，因?yàn)樗鼈兾⑷醯墓饩€都被恒星發(fā)出的耀眼光芒淹沒了，后者的亮度可以達(dá)到前者的1 0億倍。
但是通過讓世界上最大的天文望遠(yuǎn)鏡超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，天文學(xué)家直接看見了一小部分行星。在過去幾年當(dāng)中，專門設(shè)計(jì)用來對(duì)系外行星成像的兩臺(tái)新型儀器加入了這一搜尋。歐洲的高分辨率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(yuǎn)鏡上，并且裝備了精密的日冕儀來阻擋恒星的光線。不出所料，離恒星距離較遠(yuǎn)的行星是最容易被觀測到的對(duì)象。
直接成像最早觀測到的是圍繞在恒星HR 8 7 9 9周圍的行星系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，位于土星軌道距離之外直至海王星距離2倍的范圍內(nèi)，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(zhì)量的5倍多。根據(jù)理論，如此遙遠(yuǎn)的軌道上的行星運(yùn)行得十分緩慢，它們應(yīng)該是以極其緩慢的速度生長，并且在吸積盤消散之前就達(dá)到了遠(yuǎn)小于木星的質(zhì)量極限。然而這些行星完美的圓形軌道表明，它們不是從更靠近恒星的地方被拋到這些軌道上的。
這些遙遠(yuǎn)的巨型行星為標(biāo)準(zhǔn)理論最激進(jìn)的挑戰(zhàn)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(wěn)定性的過程形成的。這一過程需要一個(gè)富含氣體的原行星盤在自身引力下碎裂成團(tuán)塊。這些氣體團(tuán)塊會(huì)隨著時(shí)間變化直接坍縮成巨型行星，而不用首先形成一個(gè)固體的核。模型顯示，這種機(jī)制只有在特定的情況下才會(huì)起作用：氣體必須是冷的，不能旋轉(zhuǎn)過快，收縮的氣體必須能夠有效擺脫熱量。這一機(jī)制能否解釋HR 8 7 9 9的形成？拉菲科夫說，只有外側(cè)的兩顆行星足夠遙遠(yuǎn)和寒冷時(shí)才可能，“這仍然是一個(gè)讓人十分困惑的系統(tǒng)”。
在過去，射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)原行星盤的觀測為引力不穩(wěn)定性提供了證據(jù)支持。這些望遠(yuǎn)鏡對(duì)冷氣體敏感，它們看見了散布著混亂、不對(duì)稱團(tuán)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(duì)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(duì)金牛座H L 拍攝的圖像和2 0 1 6年對(duì)長蛇座TW 拍攝的圖像，顯示了平滑、對(duì)稱的吸積盤，在比海王星軌道更遠(yuǎn)的地方間有個(gè)環(huán)形暗紋缺口?！斑@是一個(gè)巨大的意外。這個(gè)吸積盤不是亂七八糟的，它具有平整、規(guī)則、漂亮的結(jié)構(gòu)?！崩瓶品蛘f。這些圖像意味著行星清理了其軌道上的物質(zhì)，通過核吸積作用生長，這對(duì)引力不穩(wěn)定理論的支持者來說是個(gè)打擊。
GPI 和SPHERE 還會(huì)在行星系統(tǒng)的更遠(yuǎn)邊緣做出什么令人驚異的發(fā)現(xiàn)，目前判斷還為時(shí)尚早。偏遠(yuǎn)地帶和接近中心處（熱木星和超級(jí)地球所在的位置）之間的區(qū)域仍然無法探測到：對(duì)直接成像儀器來說，它離恒星太近；對(duì)依賴恒星擺動(dòng)和周期性變暗間接測量的儀器來說，它離恒星太遠(yuǎn)。這使得理論學(xué)家難以對(duì)系外行星系統(tǒng)得出一個(gè)完整的描述?！拔覀兊睦碚摶谒槠筒煌暾挠^測?！眲诳肆终f，“目前，可能所有的人都是錯(cuò)的?！?/span>
天文學(xué)家不用等太久就能獲得更好的數(shù)據(jù)了。2 0 1 7年，美國航空航天局會(huì)發(fā)射系外凌日行星調(diào)查衛(wèi)星（T E S S），2 0 1 8年歐空局計(jì)劃發(fā)射系外行星描述衛(wèi)星（CHEOPS）。與開普勒空間望遠(yuǎn)鏡不同，“開普勒”對(duì)大量恒星進(jìn)行了缺少細(xì)節(jié)的調(diào)查，匯編成系外行星的普查，而TESS和CHEOPS的探測會(huì)集中在離地球近的類太陽恒星上，讓研究者有機(jī)會(huì)探索吸積盤中段的未知區(qū)域。由于目標(biāo)恒星在地球附近，地面天文望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該能夠?qū)λ鼈兊男行沁M(jìn)行質(zhì)量測量，使研究者能夠計(jì)算行星密度，從而弄清這些行星是巖石質(zhì)的還是氣體的。
計(jì)劃于2 0 1 8年發(fā)射的詹姆斯· 韋伯空間望遠(yuǎn)鏡會(huì)進(jìn)一步對(duì)經(jīng)過系外行星大氣層的光線進(jìn)行分析，以確定其化學(xué)組成?！盎瘜W(xué)組成是行星形成的重要線索?！丙溄鹜惺舱f。例如，在超級(jí)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(gè)1 0年，美國航空航天局的大視場紅外巡天望遠(yuǎn)鏡和歐空局的行星凌日與振蕩觀測站這樣的航天器，將會(huì)和鏡面直徑達(dá)3 0米的新一代巨型地面太空望遠(yuǎn)鏡一起，加入對(duì)系外行星的搜尋。
鑒于以往的經(jīng)驗(yàn)，模型學(xué)者需要忙個(gè)不停了。拉菲科夫說：“自然比我們的理論要聰明得多?！?/span>
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