揭秘宇宙行星的惊人多样性 只有小古怪没有大不同

[2015-07-17] 作者:世界未解之迷网 阅读量: 分享到_微信朋友圈:

最近这些年,我们才知道还有其他的行星。(NASA/JPL/SPL)

  “太阳系越看越古怪,”来自加州大学的行星科学家Gregory Laughlin说,只是目前还没法很快搞明白太阳系到底有多奇怪(像个古怪的叔叔,或者骑着独角兽的妖精)。

  我们对于太阳系并不陌生,这里是我们的家。上学时我们就已大致了解这个星系里的所有星球,记住了它们的名字和按照距离太阳远近来排列的顺序。

  距离太阳最近的四颗星球有着可以行走的岩石陆地,也方便宇宙飞船登陆。剩下的星球(除了冥王星外),都是带有美丽光环的巨型气体星球。行星之间是小行星带,充当着护城河。配置简洁,一个半世纪以来,我们关于行星的了解大抵如此,一直到了1995年。

  当时天文学家发现了另一个行星绕着恒星旋转的星系,大小与木星相当,命名为51Pegasi B。之后的20年里,天文学家发现了数千个这样的星系。而据估计,整个银河系里有几千亿个。现在我们终于知道了,太阳系根本不孤单。

  这些星系差不多就是一个缩小版的宇宙,充满着无序,宇宙的各个角落大概都是一个样子,没什么差别。但是在如果在这些多行星系间比较,我们的太阳系足够神奇到立马脱颖而出。科学家正在尝试解释它为什么会这奇怪。如果真的证实了它是茫茫宇宙中一个特异存在,那么连同我们和所有的生命都是如此了。

  怪异的空间

  行星和恒星一样普遍,知道这个事实就会意识到行星惊人的多样性。“我们总是隐约希望行星都是类似的,”Laughlin说,“它们确实差不多,但远比太阳系给我们的想象要古怪的多。”

  利用开普勒天文望远镜,天文学家发现了各种不同形状和大小的行星和行星系统,譬如一个规模相当于木星和它的最大的四颗卫星的Q版行星系。在另一些星系中,行星绕行的轨道面与恒星的旋转轴的角度非常大。还有少数星系,行星可以同时围绕两个恒星旋转,类似于令星球大战影迷疯狂的双恒星星系现实版。

消失在太阳系内部的小行星(Johan Swanepoel/Alamy)

  太阳系里的行星不是小型的岩石星球就是巨型的气体星球。但是现在,天文学家发现其他大部分行星都没法归入这两个类别,而是介于两种类型之间,没气海王星(气体行星)大,比地球小。最小的一颗偶尔被称为“超级地球”(这个名字有些误导,因为超级地球一点也没必要像地球,只是个头比地球大些),可能是个岩石行星。稍大一些的叫子海王星,里面大部分是气体。

  更奇怪的是,很多行星的轨道都离恒星非常近,比水星与太阳的距离还要近。2009年天文学家第一次发现这种行星时,大多数天文学家都是持怀疑态度的。“简直是疯狂到令大多数人都不相信”Laughlin说。开普勒上天后,证实了它确实存在,而且无处不在。事实上,银河系里半数的恒星可能都拥有这种紧密的超级地球式的行星。

  “这算是最大的不同点之一,”Laughlin说,“因为在距离太阳最近的水星与太阳之间,空空如也,连一颗小行星都没有。”

  木星是另一个让太阳系奇怪起来的地方。像木星那样的大行星并不常见,而且大多数的轨道半径都地球和火星的轨道半径差不多。与木星轨道半径相近的大行星只有2%。

木星和它的卫星(NASA)

  没人知道太阳系为何与众不同,对此,Laughlin有自己的观点。他在解释中设计了一个精巧的场景,游牧的木星突袭并摧毁了还在婴儿时期的行星,改变了太阳系的命运,为我们所深爱的地球清出一条路。

  折腾的木星

  当气体云坍缩成一个高密度球体时,行星几乎是跟着恒星诞生的,前后脚的关系。残余的气体和尘埃围绕着恒星旋转,逐渐蜕变成一个披萨式的圆盘。圆盘中的物质又渐渐聚集在一起创造出一个新世界。

  曾经很可能靠近过太阳的木星(Detlev van Ravenswaay/SPL)

  过去天文学家认为行星诞生的地方就是它们现在所处的位置。炙热的恒星附近,一些以发挥的化合物如冰和气体都不会存在太久。留下来都是岩石或者金属,所以太阳附近存活下来的是岩石类的行星。远离恒星的地方气体和碎冰才能得以保存,最终汇形成我们今天所见到的气体行星。

  不过,天文学家后来也发现了靠近恒星的气体行星。此时天文学家才意识到这些气体恒星很可能是在形成之后再慢慢靠近恒星的。行星迁移可能很普遍,太阳系里的气体行星可能都有这样折腾过。

土星的形成拽住了木星(NASA)

  “过去,我们认为这些气体行星个头太大,从未移动过,是我们的锚定点。”美国科罗拉多博尔德西南研究所(Southwest Research Institute)的行星科学家Kevin Walsh解释道,在之前的行星形成理论中,科学家假设气体行星总是固定在一个点上。现在,没有什么锚定点了。”

  在太阳系形成的早期,木星也曾经移动过。这一过程被称为“大策略模型”(Grand Tack Model),木星走的不是直线,而是类似于帆船在海面上行驶的“之”字形路线。在这个假设场景中,木星形成的位置距离太阳要比现在的近,大约三个天文单位(一个天文单位等于地球到太阳之间的平均距离,简称“1AU”)左右。那时的太阳还是几百万岁的婴儿,在不停地充气。

  当木星绕着太阳转动时,木星轨道外围的气体不断的将木星推向太阳系内部,这个过程被土星的形成打断了。土星形成于木星的外围,它阻断了把木星推向太阳的气体。此时,木星距离太阳的距离已经缩短了一半。另一股力量占了主导,木星与其轨道内部的气体之间的互动力又把木星往后拖,木星才得以脱险,安享在距离太阳5.2个天文单位的地方

  “大策略模型”理论解释了太阳系中很多不能解释的特征,这让行星学家们很兴奋。木星这个一来一回的路线清除了路上的气体障碍,天文学家据此设想这一过程对火星的形成至关重要。之前的理论框架中推算出的火星体积过大,与现实不符。而“大策略模型”下的火星大小刚刚好。

听说很像地球又不像地球的“超级地球”(Lynette Cook/SPL)

  “大策略”中推测出的小行星在带质量、轨道以及构成物质上,都接近于我们今天所看到的小行星带。“大策略”只能描述木星是如何到达现在一个相对较远的位置上的,解释不了为什么木星是太阳系里形成的第一颗行星。

  Laughlin承认“大策略理论”听上去太复杂,有点疯狂。“事实上,你不得不去怀疑它的可能性。从过去到现在,我一直在怀疑。”但是考虑到到目前为止,也只有“大策略”理论是比较成功的,Laughlin和另一个来自美国加州帕萨迪纳研究所理论学家Konstantin Batygin,决定继续沿用“大策略”模型进行深入研究。“先把怀疑放一边,看看大策略能给我们带来什么样的结果。”

  木星的征途

  结果非常暴力。计算机模拟显示,当木星不断向太阳系内部进发时,一路上横扫千军,像一架犁,犁过了所有气体、尘埃和半成型的行星——直径小于1000公里的行星,也被成为星子,并触发了星子之间的碰撞,碎裂成更小的石块。当石块直径小于1公里时,周围的气体便轻而易举地将它们拖进了太阳。

“麻脸”水星(NASA/SPL)

  其他恒星附近存在超级地球,而几个超级地球就能跟着星子形成一个行星。但是如果有类似木星的行星靠近,行星引力会锁定超级地球与星子,然后将连带着超级地球将星子送进了太阳。

  木星安全抵达外太阳系时,一路上留下的碎片足够形成地球和其他小型的岩石星球了。如果这是真的,其他行星系统的情况也大体相同。感谢折腾的木星,让水星与太阳间的距离空间如此清爽干净。否则现在留下的将是一堆混乱的超级地球,没有地球就没有我们了。

  这些解释还是在讲故事,一连串错综复杂的事件不过强调了我们居住的太阳系有多古怪。

  从目前的数据上看,“大策略”理论还是颇有希望被证实的。“初步迹象开了个好头,”Laughlin说“那些周围存在超级地球的恒星是没有类似木星的远处行星的”

  到底能不能被证实,得到了2017年太阳系外行星调查卫星(TESS)发射之后才能揭晓。外行星调查卫星将在太阳附近搜寻行星。

  Laughlin不会一直按照“大策略”模型来。“我们只是知道了太阳系比较特别,”他说,“这是初步理解这一现实所要做的工作之一。我敢肯定,还会有很多更好的更有说服力的理论在等着我们。”

  只有小古怪,没有大不同

  太阳系真的古怪到孤家寡人的地步?“眼前所有的迹象都在暗示着我们是这个宇宙的稀有物种,”Walsh说。但同时,宇宙行星的排查工作还远位完成。

  天文学家只是尚未探测到许多类似太阳系中的行星。“只用目前的方法更难难发现与我们类似的行星系统,”来自宾夕法尼亚州立大学的行星学家Jim Kasting说,“我们没找到并不意味着它们不常见,只能说明它们不容易被发现。”

即便是发现类似的更大的土星仍然需要很多时间(NASA)

  “尤其是当前的望远镜还看不到其它小于地球的行星。也没有一颗外行星调查卫星有能力在其他类太阳系星系中探到一颗在轨道半径与大小上类似地球的行星。”

  在太阳系外发现更大的这样的行星需要更多的时间。目前开普勒和TESS只能通过行星走到恒星前留下的暗点来扑捉行星的踪影。但是由于很多行星轨道太大,像土星的绕轨道一周需要29年,天文学家扑捉一次行星过境需要等上很多年。

经过恒星的行星(NASA)

  但是我们依然不缺少分析关于轨道半径比水星还短的超级地球的数据。“它们太常见了,”Laughlin说。少见的是轨道半径类似于木星的气体行星。像太阳这样的恒星也不是少到稀有的程度,总数占整个银河系所有恒星的10%。“所以,太阳系是某种程度上的古怪。”

  说到底,“古怪”只是一种主观感受。有人估计银河系有五分之一的类太阳恒星拥有这样古怪的配置,占银河系恒星总数的2%左右。不要觉着1%和2%很小,银河系有几千亿个这样的星系,1%就意味着几十个亿。

浩瀚的银河系里可能藏着数千亿颗行星(B.A.E. Inc. Alamy)

  “这种情况下,如果太阳系依然能独树一帜,就真的让人惊叹了”,NASA埃姆斯研究中心(Ames Research Center)的行星学家Jack Lissauer说道。“从几十亿个星系中脱颖而出几乎是不可能的。”

我们熟悉的地球(NASA)

  这也是个好事,找到“地球双胞胎”的可能性大大提升。Lissauer说他相信地球是唯一的,也相信那里也可以像地球一样生机勃勃。

  同样乐观的还有Kasting,“我们的太阳系绝不是唯一的。”

  所以,纵览整个银河系,只有小古怪,没有大不同。

    

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