行星形成也許不是我們?cè)O(shè)想的那樣

丹尼爾·克萊里++晨飛

20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(lái)了欣喜和困惑。這顆被命名為飛馬座51b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88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(wú)法解釋一顆如此巨大的行星如何能在一顆新生的恒星周?chē)绱霜M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(zhǎng)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2009年美國(guó)航空航天局開(kāi)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2500個(gè)太陽(yáng)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(lái)了更多困惑。開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)銀河系內(nèi)最常見(jiàn)的行星體量介于地球和海王星之間，這類(lèi)行星被稱為“超級(jí)地球”，在內(nèi)太陽(yáng)系沒(méi)有這種行星存在，同時(shí)也被認(rèn)為是不可能在內(nèi)太陽(yáng)系形成的。

飛馬座51b

現(xiàn)在，地面的天文望遠(yuǎn)鏡可以直接收集來(lái)自系外行星的光線，而不是像開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡那樣，間接檢測(cè)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(yáng)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(yáng)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?lái)了挑戰(zhàn)。

斯坦福大學(xué)物理學(xué)家布魯斯·麥金托什說(shuō)：“從第一天開(kāi)始，理論無(wú)法和現(xiàn)實(shí)很好契合這一點(diǎn)就很明顯，從來(lái)沒(méi)有哪一個(gè)理論能跟得上觀測(cè)。”

理論學(xué)家正在試著迎頭趕上——尋找合理情形來(lái)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(zhǎng)或者失衡的軌道上。但是觀測(cè)者發(fā)現(xiàn)的越來(lái)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(guó)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(shuō)：“每天都能發(fā)現(xiàn)新東西，這種情況就像是淘金?！?/p>

恒星和它的行星系統(tǒng)形成的傳統(tǒng)模型可以追溯到18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?chē)纬杀馄降奈e盤(pán)。塵埃是這個(gè)吸積盤(pán)形成一系列行星的關(guān)鍵。這些僅占據(jù)吸積盤(pán)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(pán)旋轉(zhuǎn)的過(guò)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(wàn)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(kāi)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(pán)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(zhǎng)過(guò)程被稱為核吸積，在吸積盤(pán)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10倍于地球質(zhì)量的固體核。因?yàn)檫@一過(guò)程足夠快，吸積盤(pán)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(lèi)似太陽(yáng)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(lèi)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(zhǎng)。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。

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?lái)認(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(guò)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(lái)的。

理論學(xué)家提出了兩種可能的機(jī)制來(lái)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(pán)內(nèi)有足夠的剩余物質(zhì)。行星引力讓吸積盤(pán)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(guò)來(lái)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(zhǎng)度具有小的整數(shù)比例關(guān)系。拿冥王星來(lái)說(shuō)，它沿軌道繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)兩圈，等于海王星繞太陽(yáng)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(yáng)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(guò)程，即木星起初在距離太陽(yáng)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。

ALMA

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。”加州大學(xué)圣克魯茲分校的天文學(xué)家格里戈·勞克林說(shuō)。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(lái)的。他說(shuō)，如果原行星盤(pán)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(lái)形成飛馬座51b，以及其他甚至更靠近中心的巨型行星?！八鼈儾豢赡茉谠恍纬?。”位于劍橋市麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家約書(shū)亞·維恩直白地表示。另外，那一部分?jǐn)?shù)量可觀的在拉長(zhǎng)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(pán)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(zhǎng)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(shuō)：“破壞一個(gè)系統(tǒng)的方式是很多的?！?/p>

開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，類(lèi)似太陽(yáng)的恒星里，有60%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(kāi)普勒-80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(guò)程過(guò)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(méi)有發(fā)生遷移，而是在當(dāng)前的位置上產(chǎn)生的。

研究人員正在尋找解釋這一問(wèn)題的方法。一種想法是，它們通過(guò)被稱為礫石吸積的過(guò)程完成了加速吸積。在富含物質(zhì)的吸積盤(pán)中，氣體對(duì)礫石大小的物體產(chǎn)生拖曳，這總體上來(lái)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(pán)有它們自己的問(wèn)題：超級(jí)地球一旦超過(guò)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(wèn)：“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(shuō)，只要吸積盤(pán)富含固體并且缺乏氣體，就沒(méi)有必要加速吸積。如果吸積盤(pán)內(nèi)側(cè)的密度比形成太陽(yáng)系的吸積盤(pán)高10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(pán)末期形成，此時(shí)氣體已經(jīng)消散殆盡，就不會(huì)收集過(guò)多的殘留氣體。

阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）的一些早期觀測(cè)支持這一假說(shuō)，該國(guó)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(pán)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(pán)看上去相當(dāng)龐大。但是這些觀測(cè)不是確鑿證據(jù)，因?yàn)锳LMA還沒(méi)有完全運(yùn)轉(zhuǎn)，只能看見(jiàn)吸積盤(pán)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(shuō)。當(dāng)

系外行星HR8799b是一顆超級(jí)木星（想象中的衛(wèi)星視角），饒其恒星公轉(zhuǎn)的軌道長(zhǎng)達(dá)460年。

ALMA的66根天線全部開(kāi)始工作的時(shí)候，它就可能做到這一點(diǎn)。

蔣對(duì)開(kāi)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(jiàn)并且同樣帶來(lái)疑問(wèn)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20%的膨脹大氣層。這種行星被認(rèn)為是在富含氣體的吸積盤(pán)內(nèi)形成的。在吸積盤(pán)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(pán)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(lái)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(jiǎn)單，這是目前的檢測(cè)手段能探測(cè)到的區(qū)域。兩種主要方法——測(cè)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(cè)量恒星由于行星從前方經(jīng)過(guò)而造成的周期性變暗——都更傾向于檢測(cè)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(méi)了，后者的亮度可以達(dá)到前者的10億倍。

但是通過(guò)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(jiàn)了一小部分行星。在過(guò)去幾年當(dāng)中，專門(mén)設(shè)計(jì)用來(lái)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(guó)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(lái)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(cè)到的對(duì)象。

直接成像最早觀測(cè)到的是圍繞在恒星HR8799周?chē)男行窍到y(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(zhǎng)，并且在吸積盤(pán)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(shuō)，這些行星不是通過(guò)核吸積形成的，而是通過(guò)一種叫作引力不穩(wěn)定性的過(guò)程形成的。這一過(guò)程需要一個(gè)富含氣體的原行星盤(pán)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(guò)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HR8799的形成？拉菲科夫說(shuō)，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(guò)去，射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)原行星盤(pán)的觀測(cè)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(jiàn)了散布著混亂、不對(duì)稱團(tuán)塊的吸積盤(pán)。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(pán)中段平面塵埃顆粒放射出的短波敏感，它在2014年對(duì)金牛座HL拍攝的圖

像和2016年對(duì)長(zhǎng)蛇座TW拍攝的圖像，顯示了平滑、對(duì)稱的吸積盤(pán)，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(pán)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(shuō)。這些圖像意味著行星清理了其軌道上的物質(zhì)，通過(guò)核吸積作用生長(zhǎng)，這對(duì)引力不穩(wěn)定理論的支持者來(lái)說(shuō)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(wú)法探測(cè)到：對(duì)直接成像儀器來(lái)說(shuō)，它離恒星太近;對(duì)依賴恒星擺動(dòng)和周期性變暗間接測(cè)量的儀器來(lái)說(shuō)，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(cè)。”勞克林說(shuō)，“目前，可能所有的人都是錯(cuò)的?！?/p>

天文學(xué)家不用等太久就能獲得更好的數(shù)據(jù)了。2017年，美國(guó)航空航天局會(huì)發(fā)射系外凌日行星調(diào)查衛(wèi)星（TESS），2018年歐空局計(jì)劃發(fā)射系外行星描述衛(wèi)星（CHEOPS）。與開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡不同，“開(kāi)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(cè)會(huì)集中在離地球近的類(lèi)太陽(yáng)恒星上，讓研究者有機(jī)會(huì)探索吸積盤(pán)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(cè)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2018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(guò)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。”麥金托什說(shuō)。例如，在超級(jí)地球的大氣層中找到較重的元素，可能說(shuō)明為了足夠快地形成行星核，吸積盤(pán)中需要富含這種元素。下個(gè)10年，美國(guó)航空航天局的大視場(chǎng)紅外巡天望遠(yuǎn)鏡和歐空局的行星凌日與振蕩觀測(cè)站這樣的航

天器，將會(huì)和鏡面直徑達(dá)30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(shuō)：“自然比我們的理論要聰明得多?！?