外太陽系行星

黃心薇

長久以來，人類一直致力于探尋宇宙中是否存在另一顆地球。時至今日，憑著智慧和毅力，人類終于發(fā)現(xiàn)了第一顆太陽系外的行星——飛馬座51號，而后陸陸續(xù)續(xù)又找到了20顆以上的外太陽系行星。然而，這些新發(fā)現(xiàn)的行星，是否和地球以同樣的方式形成?在它們之中是否也存在著另一個文明世界?這些都是我們急欲尋求解答的。

現(xiàn)在，天文物理學(xué)家最想了解的是新發(fā)現(xiàn)的外太陽系行星與行星形成的關(guān)聯(lián)性，并以此來評估在銀河系中，類似地球般行星存在的可能性。目前人類對恒星及行星形成的理論已有很大的發(fā)展，但在新的行星系發(fā)現(xiàn)之前，這些行星形成的學(xué)說只能用來解釋我們的太陽系而已。令人振奮的是，目前天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了20顆以上的外太陽系行星，下面我們就簡單地討論一下這些新發(fā)現(xiàn)的行星告訴了我們些什么。

行星與棕矮星

幾年前，天文學(xué)家就已發(fā)現(xiàn)相對于一般恒星而言質(zhì)量非常低的伴星，其中包括所謂的脈沖星行星及棕矮星，它們都同樣令人感到困惑。正確指認(rèn)所發(fā)現(xiàn)的低質(zhì)量伴星到底是棕矮星還是行星，是一件很困難的事。除了分類命名外，尚需考慮星體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制。如果我們發(fā)現(xiàn)有一顆像木星般巨大的氣體行星繞著一顆恒星公轉(zhuǎn)，我們自然也會猜測此行星系中是否也存在有一顆像地球般的行星?然而，如果此伴星是棕矮星的話，我們就難以推斷是否也有類似地球的行星在這個系統(tǒng)中形成。一般認(rèn)為雙星系統(tǒng)會破壞行星形成的機(jī)制，至少當(dāng)此雙星彼此間的距離和典型的行星軌道半徑相仿時，行星將無法形成。

太陽系有兩顆巨大的氣體行星——木星與土星，它們的質(zhì)量都不超過太陽質(zhì)量的0.1％。棕矮星的形成過程和恒星一樣，但質(zhì)量小于0.08個太陽質(zhì)量(在恒星演化過程中，點燃?xì)涞臒岷朔磻?yīng)所需的最低質(zhì)量為0.08個太陽質(zhì)量)。因為缺少熱核能，并且主要是由氫和氦所構(gòu)成，因此棕矮星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和巨大氣體行星極為相似。例如Gliese229的伴星為一顆棕矮星，其光譜有很大的甲烷吸收帶，跟木星很像。

巨大氣體行星和棕矮星的不同之處在于它們形成的機(jī)制，木星及土星的核心為似冰及似巖的物質(zhì)。在棕矮星及外太陽系行星尚未發(fā)現(xiàn)前，質(zhì)量最小的恒星出現(xiàn)在主星序帶較低的尾端處，質(zhì)量大于或等于0.08個太陽質(zhì)量。棕矮星及外太陽系行星的發(fā)現(xiàn)，填補(bǔ)了天文研究中介于最輕的恒星及最重的行星間的空檔?？梢灶A(yù)見的是，將來我們可能無法單單只用質(zhì)量來區(qū)分恒星和行星?；蛟S會出現(xiàn)一些行星，其質(zhì)量大于最輕的棕矮星。如果真的發(fā)生了這種情況，到時必然會有其他定義星體的方法。現(xiàn)在，多數(shù)研究恒星與行星形成的科學(xué)家，他們主張利用形成機(jī)制來區(qū)別恒星與行星：恒星是由稠密的星際介質(zhì)，如氣體和塵埃組成的云氣所生成的；而行星則是在恒星大致成形后才開始產(chǎn)生的，由環(huán)繞在恒星軌道上的碎屑物組成。

棕矮星乎?行星乎?

在新發(fā)現(xiàn)的行星中，有三顆行星的軌道具較大的離心率，即圍繞著16CygaaiB、70Virginis及HD114762的三顆行星。依行星形成理論來看，行星的軌道應(yīng)該是近乎圓形的，而且在軌道面飄移過后，軌道只會變大變小而已，應(yīng)該不會改變形狀。因此科學(xué)家認(rèn)為，勢必有某些其他因素在這三顆行星形成之后對它們的軌道造成擾動，使其離心率變大。圍繞著16CygniB的行星，其軌道是受中央星的伴星16CygniA所影響，漸漸變成離心率高的橢圓形軌道；而另外兩顆行星的質(zhì)量皆大于6倍木星質(zhì)量，遠(yuǎn)超過行星形成所需的最大質(zhì)量，所以有天文學(xué)家認(rèn)為它們可能是棕矮星而非行星。因為棕矮星的形成方式和行星不同，所以比起任何行星，它們可以以高離心率及高質(zhì)量存在。

形成的機(jī)制

太陽系行星的形成，從恒星云氣收縮塌陷而產(chǎn)生原始太陽，氣體、塵埃組成的盤狀云氣繞著原始太陽旋轉(zhuǎn)，并開始朝轉(zhuǎn)軸兩極上下噴出噴射流。在大部分繞星云氣被重力吸落至恒星上之后，剩下的物質(zhì)會凝結(jié)，并在繞星盤面上產(chǎn)生許多微行星。這些微行星在重力作用下反復(fù)撞擊、結(jié)合，逐漸形成原始行星。位于太陽系內(nèi)側(cè)的行星因為受太陽高溫的影響，大部分的組成物是一些不揮發(fā)的粒子，因而只能形成質(zhì)量小且類似地球的類地行星；而位于太陽系外側(cè)的行星因為需要大量物質(zhì)的供應(yīng)，所以它們應(yīng)該在距恒星數(shù)個天文單位遠(yuǎn)的地方形成類似木星的巨大氣體行星(繞星盤在此處含有較多行星形成時所需的物質(zhì))。然而，在我們所發(fā)現(xiàn)的太陽系外行星系中，大部分行星距中央主星都在1天文單位以內(nèi)。以太陽系的形成理論來看，在距中央主星如此近的距離內(nèi)，巨大行星是不可能存在的，所以這些巨大行星的形成方式可能和太陽系內(nèi)巨大行星的形成方式有很大的差異。

在我們陸續(xù)觀察到的現(xiàn)象中，最主要的進(jìn)展之一是：發(fā)現(xiàn)一些非常年輕的恒星和老的恒星一樣，也擁有伴星。這個發(fā)現(xiàn)意味著伴星在主星形成前就存在了。在原始恒星云氣收縮塌陷階段，原始的云氣受本身重力的影響，在塌陷的過程中分裂成兩個或更多個團(tuán)塊；其中一塊變成恒星，另外的變成了行星和棕矮星。而距恒星很近的棕矮星，因為受到恒星高溫的影響，從而變成了和木星一樣的氣體行星。另一種可能的解釋是：巨大氣體行星原本和太陽系中的木星及土星一樣，誕生于距中央恒星較遠(yuǎn)的地方，而后受到圓盤的重力吸引，才慢慢遷移到現(xiàn)今的位置。停止遷移的機(jī)制可能有二：其一是受恒星和行星之間重力的影響，一旦行星非?？拷阈牵行潜砻婢蜁谐毕珴q高的情形，此時潮汐力會對行星產(chǎn)生一股推力，以抵抗圓盤對行星的吸引力；另一個原因可能是磁場，當(dāng)行星飄移到靠近恒星的某個范圍內(nèi)時，受恒星磁場的影響，圓盤的引力就不足以再繼續(xù)作用，而行星就停止向內(nèi)飄移。

脈沖星行星被認(rèn)為是在超新星爆炸成中子星之后形成的。在超新星爆炸的過程中，形成了脈沖星及脈沖星周圍的吸積盤。脈沖星能高速旋轉(zhuǎn)，歸因于由吸積所獲得的角動量。吸積盤最后因脈沖星的高能粒子風(fēng)作用而消失，只剩下高速旋轉(zhuǎn)的脈沖星和圍繞著脈沖星的行星。

尋找行星的方法

外太陽系行星可利用直接或間接方法測出。直接的方法是尋找由星體本身所發(fā)射或反射的光線，如Gliese229的棕矮星伴星，就是用日冕儀望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的。但是，直接探測出外太陽系行星較發(fā)現(xiàn)棕矮星困難多了。在可見光范圍內(nèi)，太陽發(fā)出的輻射強(qiáng)度較木星反射的輻射強(qiáng)109倍，較地球反射的強(qiáng)1010倍；在紅外線10微米的波長下，太陽輻射的強(qiáng)度較行星反射的強(qiáng)104倍～106倍!所以，在紅外線波段直接偵測外太陽系行星，將會比在可見光范圍內(nèi)容易，從而成為主要的搜尋方法。尋找軌道距恒星只有幾個天文單位的行星，需要用適當(dāng)?shù)拇笮偷孛嫱h(yuǎn)鏡或是太空望遠(yuǎn)鏡以避免大氣的干擾。

間接尋找外太陽系行星可以用視向速度，第一顆外太陽系行星便是用視向速度發(fā)現(xiàn)的。恒星在太空中的視向速度可以由多普勒位移測出，但是測量由行星伴星所造成的額外多普勒位移是件困難的事，這需要一個高分辨率的光譜儀及一顆在光譜中擁有許多吸收譜線的恒星。如果恒星的視向速度有周期性的變化，我們便可推測這是因為恒星在繞著系統(tǒng)的質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)(行星伴隨著主星將使得此恒星繞著系統(tǒng)的質(zhì)心做軌道運(yùn)動)，而視向速度振動的幅度則對其伴星的質(zhì)量提供了下限。木星造成的太陽視向速度振幅為12米／秒，而目前的視向速度測量儀的靈敏度大約是在10米，秒的范圍。用這種方法更易于發(fā)現(xiàn)高質(zhì)量、短周期的行星。排除第一顆行星所造成的振幅后，若有其他殘余的振幅，即可推測是否還存在其他行星。脈沖星行星系PSRB 1257+12即是利用此方法找出。

伴星會迅速地向前及向后橫越軌道平面，造成周期性掩蔽恒星。在地面上觀測時，視地球大氣擾動的程度而異，從這些恒星上發(fā)出的周期性信號間所產(chǎn)生的相差，可以精確到10^-3角秒或更好。用這個方法可以計算出伴行星的存在。Ial21185恒星系的兩顆與木星質(zhì)量差不多的行星就是利用此方法測得，它們的軌道半徑分別為2.5天文單位及10天文單位，軌道傾角40度。因為軌道周期很長(分別為6年及30年)，所以需要很長的時間來確認(rèn)這一觀測結(jié)果。

另一個尋找行星的方法是利用微重力透鏡。當(dāng)前景星體在觀察者及背景星體所發(fā)出的光之間移動時，前景星可以改變背景星所發(fā)出光線的路徑，使經(jīng)過前景星的光線更為靠近前景星，這時候觀察者就會發(fā)覺光線在前景星處發(fā)生了偏折現(xiàn)象，也就是說前景星的存在產(chǎn)生了類似透鏡的作用。1936年，愛因斯坦根據(jù)相對論預(yù)測出星際間會有這種現(xiàn)象發(fā)生；1986年，帕琴斯基利用這個原理發(fā)展出偵測銀河系中暗物質(zhì)的方法。微重力透鏡除了拿來研究銀河系的結(jié)構(gòu)及暗物質(zhì)外，最近幾年還用來尋找外太陽系行星。如果行星位于所謂的透鏡區(qū)，這時的行星就扮演著前景星的角色，當(dāng)背景光源經(jīng)過這一區(qū)域時，它的微重力透鏡光線會存在短暫的偏向或異常。這個技術(shù)還可以根據(jù)背景光源的光線，間接地測出行星的質(zhì)量及軌道半徑，除此之外，還可以測出用其他測量方法都測不到的昏暗的單、雙星。

盡管外太陽系行星最近幾年才被發(fā)現(xiàn)，但天文學(xué)家相信已有10個或更多的行星系統(tǒng)存在，最顯著的證據(jù)就是在可見光波段環(huán)繞著β Pictoris星的行星盤。在紅外線波段或在毫米波波段，天文學(xué)家都已經(jīng)通過星盤蹤跡氣體分子觀測到行星盤的存在。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在所有年輕的太陽型恒星中，約有一半顯示出原始行星盤存在的證據(jù)。這些原始行星盤在理論上可以產(chǎn)生行星，就像我們的太陽系。觀測到原始行星盤不只強(qiáng)烈地支持了行星系統(tǒng)應(yīng)該普遍存在的理論，而且為研究行星形成過程的天文學(xué)家，提供了有關(guān)行星盤物理性質(zhì)狀態(tài)的寶貴資料。

結(jié)語

外太陽系行星形成的機(jī)制究竟是像我們的太陽系，抑或是由別種方式產(chǎn)生?是否有生命存在于其他的星球上?為了解決這些謎題，天文學(xué)家開始了一連串的探索計劃。NASA目前打算進(jìn)行兩項極具野心的大計劃：一項是名為太空干涉儀的實驗，將偵測紅外線的儀器架設(shè)在地球的大氣層之上，來找尋太空中更多的其他行星；另一項是“天文生物學(xué)”計劃，其目標(biāo)是研究宇宙中的生命。對外太陽系行星的探索，為我們帶來了解答這些謎題的希望。也許在不久的將來，科學(xué)家就能找出是否存在外星生命的證據(jù)，從而更進(jìn)一步地了解地球生命的起源。