系外行星HR 8799 b是一颗超级木星（从推测的月亮上看到），绕其恒星运行一周需要460年
20年前，当天文学家发现首颗环绕常态恒星运行的系外行星时，心里充满了喜悦，同时又困惑不已。该行星被命名为飞马座51 b，质量有木星的一半。但其轨道周期仅为4天，远低于水星轨道的88天，因此难以靠近其恒星。研究行星形成的理论学家无法论证如此巨大的行星能够在一个新生恒星周围的紧密轨道中形成，因此将其视为“异类”。但在搜寻行星的过程中，科学家很快又发现了更多的“热木星”，这些行星也很怪异：有的行星轨道拉长而且高度倾斜，有的行星甚至绕其恒星倒退运行――与其恒星的运转方向背道而驰。
2009年，美国国家航空航天局发射了开普勒行星探测器。它所发现的2 500个星球为研究系外行星提供了重要的统计学依据――也让人感到更加困惑。开普勒发现，该星系中最常见的一种行星是大小介于地球和海王星之间的“超级地球”――它与太阳系中的行星完全不同，并被认为几乎是不可能形成的。如今，陆基望远镜正聚集直接源自系外行星的光，而不是像开普勒那样间接探测它们的存在。此外，这些望远镜也发现了异常情况。它们发现了质量比木星大数倍的巨行星，其运行轨道与其恒星的距离是海王星距离太阳的2倍多――这是理论学家曾经认为不可能诞生大行星的另一个区域。其他行星系看上去也与太阳系完全不同，这对曾经用于解释太阳系的旧理论提出了挑战。
自然比我们的理论更聪明
“显而易见，事情从一开始就不相匹配，”斯坦福大学物理学家布鲁斯·麦金托什(Bruce Macintosh)表示，“历史上从未有哪个时刻，理论能够跟上观测的步伐。”
理论家们正努力跟上，构建出能够在曾被视为禁区的地方诞生此前认为不可能形成的行星的环境。他们在设想行星如何形成于比之前预期的更加动荡和混乱的环境中，其中的新生行星能够离开宽轨道漂移至狭窄轨道，或被其他行星或经过的恒星弹入细长的或不规则的路径。但随着更多系外行星的不断发现，观测者认为，即便是新模型也是暂时的。“这种情况就像淘金热那样，你每天都会有新的发现。”德国海德堡马克斯?普朗克天文研究所的天体物理学家托马斯·亨宁(Thomas Henning)说道。
恒星与其行星形成的传统模型可追溯到18世纪。当时，科学家认为，缓慢旋转的尘埃和气体可能在自身引力作用下坍塌。其中的大部分物质会形成一个球体，当其核心足够稠密和炽热时，就会点燃成为恒星。引力和角动量将原恒星周围的其余物质聚集成一个扁平的盘状结构。尘埃是将该盘状结构变成一系列行星的关键。这些尘埃由微小的铁粒和其他固体物质组成，只占盘状结构质量的一小部分。由于它们会在动荡的盘状结构中旋转，这些微粒偶尔会发生碰撞，并在电磁力的作用下结合在一起。经过数百万年之后，尘埃会逐渐积聚成谷粒、鹅卵石和巨砾大小，最终形成宽度达数千米的星子。
超级地球的诞生
此时，引力开始发挥作用。它将其他星子积聚起来，并吸附尘埃和气体，直至形成行星大小的天体。当这一切在盘状结构内部发生时，大部分气体被剥离――要么被恒星吞噬，要么被恒星风吹走。气体的缺乏意味着内行星仍然主要由岩石构成，周围环绕着稀薄的大气层。
这种被称为核心吸积的成长过程在盘状结构外部继续加快，此处的水甚至寒冷到足以结冰。在这条“雪线”之外，冰成为尘埃的补充物，使原行星能够更快速地得到巩固，并形成一个质量为地球5至10倍的固体核心――快到足够使尘埃保留大量气体，核心能够吸收大量气体，从而形成像木星一样的气态巨行星。（美国国家航空航天局发射的“朱诺”号木星探测器已于2016年8月初抵达木星，其目标之一就是观测木星是否真的拥有巨大核心。）
在这种环境下，会自然形成一个与太阳系极其形似的行星系，其中包括大气稀薄、靠近恒星的岩态小行星、正好在雪线之外的类木气态巨行星、以及在更远距离外的其他由于绕其轨道运行速度更为缓慢而需要更长时间积聚物质的巨行星。所有行星都大致保持在形成时的位置，并处于同一平面的圆形轨道上，排列得非常整齐。
但热木星的发现表明，这一理论存在严重缺陷。在以天为单位的轨道上运行的行星绕其恒星运行的时间极短，这限制了行星形成时积聚的物质数量。气态巨行星居然能在这种地方形成，真是匪夷所思。所以，由此得出的结论只能是：它肯定形成于更远的地方，然后运行至当前位置。
理论家们提出了两种可能拖拽行星的机制。第一种是迁移理论：当气态巨行星形成后，需要有足够的物质留在盘状结构中。行星的引力会使盘状结构扭曲，从而形成密度更高的区域，这些区域反过来又对行星造成引力“拖拽”，使其逐渐内旋朝恒星漂移。
这一理论已经获得了证据支持。邻近的行星通常构成被称作轨道共振的稳定引力关系。当这两颗行星的轨道长度比例为较小的整数时，就会构成这种关系。例如，海王星每运行三个轨道，冥王星绕日运行两次。不太可能在它们形成时就出现这种情况，所以它们肯定是漂移到了那个位置，然后因其他稳定因素而固定于此。太阳系历史早期发生的迁移可以解释其他奇异现象，包括火星的小尺寸和稀疏、杂乱的小行星带。为了解释这种现象，理论学家借助了一种叫大航向模型(grand tack)的模拟操作。在该模型中，木星在最初形成时离太阳更近，向内漂移至靠近地球轨道的位置后，又再次向外漂移至现在的位置。
一些建模者认为，这种环境过于复杂。“我相信奥卡姆剃刀。”加州大学(UC)圣克鲁斯分校天文学家格雷格·劳克林(Greg Laughlin)说道。他认为行星更可能在适当的位置形成，并留在原地不动。如果原行星盘的物质比预计的更多，巨行星就会诞生于靠近恒星的地方。一些行星运动仍会发生，这足以解释共振现象。“这是最后的细微调整，而非大规模传送。”劳克林说道。
但也有人认为，根本不可能有足够的物质形成类似于飞马座51 b的近距离行星和其他更近的行星。麻省理工学院物理学家约书亚·韦恩(Joshua Winn)胸有成竹地说道：“它们不可能就地形成。”位于细长的倾斜轨道甚至是向后运行的轨道上的系外行星看起来似乎存在某种行星拖拽。
对于这些“异类”，理论学家提出了引力混战的概念，认为这比平静的迁移理论更具说服力。质量大的盘状结构可以产生许多互相靠近的行星，引力混战会将它们扔入恒星、奇怪的轨道或扔出系统。另一个潜在的破坏者是位于细长轨道上的伴星。大多数时候，伴星距离遥远，因此不会产生影响，但偶尔会旋转进来制造事端。或者，如果母恒星是致密星团的一员，邻近恒星可能漂移太近并造成严重破坏。韦恩解释说：“有很多方法可以打破系统。”
然而，开普勒行星探测器的发现令人惊讶：60%的类日恒星都有一个“超级地球”绕其旋转。这需要一个全新的理论来进行解释。大多数超级地球被认为主要有坚硬的岩石和金属以及极少量的气体构成，并循着比地球更狭窄的轨道运行。通常情况下，一颗恒星拥有数个超级地球。例如，开普勒-80系统有四颗超级地球，所有超级地球的轨道周期均为9天甚至更短。传统理论认为，内部的雪线核心吸积速度太慢，无法产生如此巨大的物体。由于超级地球很少存在于共振轨道，这表明它们未曾迁移，而是形成于目前所在的位置。
研究人员正在构想解决这个问题的途径。一种是通过卵石吸积的过程加快吸积速度。在质量大的盘状结构中，气体会对鹅卵石大小的物体产生极大的拖拽。这通常会令它们减速，使它们向内朝恒星漂移。由于旋转速度较慢，如果它们在途中遇到星子，就会更容易被捕获，从而加快吸积过程。但吸积速度加快、盘状结构气体含量丰富也会带来问题：超级地球一旦超过了一定尺寸，就必须吸入浓厚的大气。普林斯顿大学天体物理学家罗曼·拉菲科夫（Roman Rafikov）提出了一个问题：“如何使它们不致成为气态巨行星？”
加州大学伯克利分校天文学家尤金·蒋(Eugene Chiang)认为，只要盘状结构的固体含量高而气体含量低，就没有必要加速吸积，而在密度比形成太阳系的盘状结构大10倍的内部盘状结构中，很容易诞生一个或多个超级地球。他说，当大部分气体消散后，盘状结构也会消失，此时形成的超级地球无需吸积过多的残余气体。
位于智利北部、即将完工的国际设备阿塔卡玛大型毫米/亚毫米阵列望远镜(ALMA)早期的一些发现为这一设想提供了佐证。ALMA可绘制盘状结构内温度较高的尘埃和碎石的电波发射图。迄今为止，它只是对少量盘状结构进行了研究，而这些盘状结构似乎都相对庞大。但观测结果还不是确凿的证据，因为ALMA尚未全面运作，它只能观测盘状结构的外层部分，而无法观测超级地球所在的区域。蒋说：“靠近，这就是技巧所在。”当ALMA的所有66根天线都运作起来，它或许会带来新的发现。
蒋还对开普勒行星探测器的另一个发现超级松软行星进行了解释：这是一组罕见但同样悬而未决的行星，其质量比超级地球小，但看起来巨大无比，其中气体占其质量的20%。这类行星被认为形成于气体含量丰富的盘状结构中。但在盘状结构内部，温度较高的气体会与行星的微弱引力相抗衡，所以盘状结构外部的寒冷而密集的气体更像是子宫。蒋用迁移理论来解释它们的接近轨道――超级松软行星通常分布于共振轨道这一事实诠释了这一概念。
关于系外行星研究，目前大多数都集中在行星系统内部，其范围大约相当于木星轨道的距离。原因很简单，就是因为现有的探测方法只能看到那么远。两种主要方法――测量因绕轨道运行行星的引力拖拽引起的恒星摆动和测量恒星在行星运行至前方时的周期性变暗――都倾向于利用靠近恒星的轨道上的大行星。为这些行星成像极其困难，因为它们微弱的光线几乎淹没在恒星的眩光之中，后者可能比前者亮十亿倍。
但通过扩展世界上最大的望远镜的极限，天文学家们直接观测到了少量行星。在过去的数年中，专为观测系外行星而设计的两部新仪器投入使用。欧洲的光谱偏振高对比度系外行星探测仪(SPHERE)和美国的双子座行星成像仪(GPI)被连接至位于智利的大型望远镜上，利用日冕仪这种复杂的遮蔽物来遮挡恒星的光线。不出所料，远离其恒星的行星是最简单的目标。
通过直接成像找到的最简单也最令人震惊的系统之一是环绕HR 8799恒星运行的系统，其中四颗行星的轨道有的大于木星，有的是海王星至太阳距离的二倍多。最令人惊讶的是，这四颗行星均巨大无比，质量是木星的五倍以上。根据现有理论，在如此遥远的轨道上的行星运动速度非常缓慢，它们应该在盘状结构消失前缓慢成长，且质量远低于木星。然而，这些行星漂亮的圆轨道表明，它们并非从更接近其母星的地方急行至此。
这类遥远的巨行星的存在对标准理论提出了最有力的挑战：一些行星并非形成于核心吸积，而是形成于一个被称作引力不稳定的过程。该过程需要有一个大气丰富的原行星盘，它能够在自身引力作用下崩塌并形成团簇。随着时间的推移，这些气团无需首先形成固体核心就能直接崩裂成巨行星。模型表明，这种机制只有在特定情况下才能发挥作用：气体寒冷，不能旋转太快，收缩气体必须能够有效散发热量。这能够解释HR 8799的行星成因吗？拉菲科夫介绍说，只有外部的两颗行星足够遥远和寒冷。他补充道：“它仍然是一个相当令人费解的系统。”
在过去，射电望远镜对原行星盘进行的观测在一定程度上证明了引力不稳定这一现象的存在。由于射电望远镜对寒冷气体较为敏感，因此能够观测到盘状结构带有少量散乱的不对称气团。但ALMA最近获得的图像显示的又是另外一番景象。ALMA对来自盘状结构中平面上的尘埃颗粒的较短波长更为敏感，它在2014年拍摄的金牛座HL图像和今年拍摄的长蛇座TW图像均显示有光滑的对称盘状结构，该盘状结构内有黑暗的圆形“缝隙”，一直延伸至类似海王星轨道的轨道之外。“这真是一个巨大惊喜。盘状结构不是一盘散沙，而是一个规整的漂亮结构。”拉菲科夫说道。这些图像表明，行星在通过核心吸积的方式成长时，已经将轨道中的其他物体清除干净，这对提供引力不稳定说的理论学家来说是一大打击。
金牛座HL原行星盘图像，行星是在这些缝隙中形成的吗
要预测GPI和SPHERE在外太空搜索行星系统时还可能会有哪些惊人发现为时尚早。但那些偏远行星之间的区域以及热木星和超级地球的临近区域仍然遥不可及：要么离恒星太近而无法直接成像，要么离恒星太远而无法使用，需依赖于恒星闪烁或变暗的间接技术。因此，理论学家很难获得有关系外行星的完整图片。“我们的结论所依据的是断断续续和不完整的观测。”劳克林说道，“现在，所有人都可能错。”
再过不久，天文学家就可获取更精确的数据。明年，美国国家航空航天局将发射凌日外行星探测卫星(TESS)；后年，欧洲航天局(ESA)预计将发射基奥普斯系外行星表征卫星(CHEOPS)。与探测大量恒星以获取大量系外行星资料不同，TESS和CHEOPS将重点关注靠近地球的明亮类日恒星，使研究人员能够探索未知的中间轨道领域。因为目标恒星较近，陆基望远镜可以测出其行星的质量，使研究人员计算出能够表明行星是由岩石还是气体组成的密度。
计划于2018年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜将能进一步进行探测，对经过系外行星大气层的星光进行分析，以确定其组成成分。麦金托什说：“组成成分是了解行星形成的重要线索。”例如，在超级地球的大气层中发现更重的元素表明，要快速形成行星核心必须具有富含这些元素的盘状结构。未来十年，美国国家航空航天局的大视场红外巡天望远镜和欧洲宇航局的行星凌日和振荡等航天器以及镜面有30米宽以上的新一代巨型陆基望远镜将加入搜索的行列。
即便过去的经验靠得住，建模者也必须小心翼翼。“自然比我们的理论更聪明。”拉菲科夫说道。
资料来源Science
责任编辑 岳 峰