宇宙行星的驚人多樣性:只有小古怪沒有大不同

新浪科技訊 北京時間5月25日消息，據國外媒體報導，“太陽系越看越古怪，”來自加州大學的行星科學家Gregory Laughlin，只是目前還沒法很快搞明白太陽繫到底有多奇怪(像個古怪的叔叔，或者騎獨角獸的妖精)。

我們對於太陽系並不陌生，這裏是我們的家。上學時我們就已大致了解這個星系裏的所有星球，記住了它們的名字和按照距離太陽遠近來排列的順序。

距離太陽最近的四顆星球有可以行走的岩石陸地，也方便宇宙飛船登陸。剩下的星球(除了冥王星外)，都是帶有美麗光環的巨型氣體星球。行星之間是小行星帶，充當護城河。配置簡潔，一個半世紀以來，我們關於行星的了解大抵如此，一直到了1995年。

當時天文學家發現了另一個行星繞恆星旋轉的星系，大小與木星相當，命名為51Pegasi B。之后的20年裏，天文學家發現了數千個這樣的星系。而據估計，整個銀河系裏有幾千億個。現在我們終於知道了，太陽系根本不孤單。

這些星系差不多就是一個縮小版的宇宙，充滿無序，宇宙的各個角落大概都是一個樣子，沒什麼差別。但是在如果在這些多行星系間比較，我們的太陽系足夠神奇到立馬脫穎而出。科學家正在嘗試解釋它為什麼會這奇怪。如果真的證實了它是茫茫宇宙中一個特異存在，那麼連同我們和所有的生命都是如此了。

怪異的空間

行星和恆星一樣普遍，知道這個事實就會意識到行星驚人的多樣性。“我們總是隱約希望行星都是類似的，”Laughlin，“它們確實差不多，但遠比太陽系給我們的想象要古怪的多。”

利用開普勒天文望遠鏡，天文學家發現了各種不同形狀和大小的行星和行星系統，譬如一個規模相當於木星和它的最大的四顆衛星的Q版行星系。在另一些星系中，行星繞行的軌道面與恆星的旋轉軸的角度非常大。還有少數星系，行星可以同時圍繞兩個恆星旋轉，類似於令星球大戰影迷瘋狂的雙恆星星系現實版。

太陽系裏的行星不是小型的岩石星球就是巨型的氣體星球。但是現在，天文學家發現其他大部分行星都沒法歸入這兩個類別，而是介於兩種類型之間，沒氣海王星(氣體行星)大，比地球小。最小的一顆偶爾被稱為“超級地球”(這個名字有些誤導，因為超級地球一點也沒必要像地球，只是個頭比地球大些)，可能是個岩石行星。稍大一些的叫子海王星，裏面大部分是氣體。

更奇怪的是，很多行星的軌道都離恆星非常近，比水星與太陽的距離還要近。2009年天文學家第一次發現這種行星時，大多數天文學家都是持懷疑態度的。“簡直是瘋狂到令大多數人都不相信”Laughlin。開普勒上天后，證實了它確實存在，而且無處不在。事實上，銀河系裏半數的恆星可能都擁有這種緊密的超級地球式的行星。

“這算是最大的不同點之一，”Laughlin，“因為在距離太陽最近的水星與太陽之間，空空如也，連一顆小行星都沒有。”

木星是另一個讓太陽系奇怪起來的地方。像木星那樣的大行星並不常見，而且大多數的軌道半徑都地球和火星的軌道半徑差不多。與木星軌道半徑相近的大行星只有2%。

沒人知道太陽係為何與不同，對此，Laughlin有自己的觀點。他在解釋中設計了一個精巧的場景，游牧的木星突襲並摧毀了還在嬰兒時期的行星，改變了太陽系的命運，為我們所深愛的地球清出一條路。

折騰的木星

當氣體雲坍縮成一個高密度球體時，行星几乎是跟恆星誕生的，前后腳的關係。殘余的氣體和塵埃圍繞恆星旋轉，逐漸蛻變成一個披薩式的圓盤。圓盤中的物質又漸漸聚集在一起創造出一個新世界。

過去天文學家認為行星誕生的地方就是它們現在所處的位置。炙熱的恆星附近，一些以發揮的化合物如冰和氣體都不會存在太久。留下來都是岩石或者金屬，所以太陽附近存活下來的是岩石類的行星。遠離恆星的地方氣體和碎冰才能得以保存，最終匯形成我們今天所見到的氣體行星。

不過，天文學家后來也發現了靠近恆星的氣體行星。此時天文學家才意識到這些氣體恆星很可能是在形成之后再慢慢靠近恆星的。行星遷移可能很普遍，太陽系裏的氣體行星可能都有這樣折騰過。

“過去，我們認為這些氣體行星個頭太大，從未移動過，是我們的錨定點。”美國科羅拉多博爾德西南研究所(Southwest Research Institute)的行星科學家Kevin Walsh解釋道，在之前的行星形成理論中，科學家假設氣體行星總是固定在一個點上。現在，沒有什麼錨定點了。”

在太陽系形成的早期，木星也曾經移動過。這一過程被稱為“大策略模型”(Grand Tack Model)，木星走的不是直線，而是類似於帆船在海面上行駛的“之”字形路線。在這個假設場景中，木星形成的位置距離太陽要比現在的近，大約三個天文單位(一個天文單位等於地球到太陽之間的平均距離，簡稱“1AU”)左右。那時的太陽還是幾百萬歲的嬰兒，在不停地充氣。

當木星繞太陽轉動時，木星軌道外圍的氣體不斷的將木星推向太陽系內部，這個過程被土星的形成打斷了。土星形成於木星的外圍，它阻斷了把木星推向太陽的氣體。此時，木星距離太陽的距離已經縮短了一半。另一股力量占了主導，木星與其軌道內部的氣體之間的互動力又把木星往后拖，木星才得以脫險，安享在距離太陽5.2個天文單位的地方

“大策略模型”理論解釋了太陽系中很多不能解釋的特徵，這讓行星學家們很興奮。木星這個一來一回的路線清除了路上的氣體障礙，天文學家據此設想這一過程對火星的形成至關重要。之前的理論框架中推算出的火星體積過大，與現實不符。而“大策略模型”下的火星大小剛剛好。

“大策略”中推測出的小行星在帶質量、軌道以及構成物質上，都接近於我們今天所看到的小行星帶。“大策略”只能描述木星是如何到達現在一個相對較遠的位置上的，解釋不了為什麼木星是太陽系裏形成的第一顆行星。

Laughlin承認“大策略理論”聽上去太複雜，有點瘋狂。“事實上，你不得不去懷疑它的可能性。從過去到現在，我一直在懷疑。”但是考慮到到目前為止，也只有“大策略”理論是比較成功的，Laughlin和另一個來自美國加州帕薩迪納研究所理論學家Konstantin Batygin，決定繼續沿用“大策略”模型進行深入研究。“先把懷疑放一邊，看看大策略能給我們帶來什麼樣的結果。”

木星的征途

結果非常暴力。計算機模擬顯示，當木星不斷向太陽系內部進發時，一路上橫掃千軍，像一架犁，犁過了所有氣體、塵埃和半成型的行星——直徑小於1000公里的行星，也被成為星子，並觸發了星子之間的碰撞，碎裂成更小的石塊。當石塊直徑小於1公里時，周圍的氣體便輕而易舉地將它們拖進了太陽。

其他恆星附近存在超級地球，而幾個超級地球就能跟星子形成一個行星。但是如果有類似木星的行星靠近，行星引力會鎖定超級地球與星子，然后將連帶超級地球將星子送進了太陽。

木星安全抵達外太陽系時，一路上留下的碎片足夠形成地球和其他小型的岩石星球了。如果這是真的，其他行星系統的情況也大體相同。感謝折騰的木星，讓水星與太陽間的距離空間如此清爽乾淨。否則現在留下的將是一堆混亂的超級地球，沒有地球就沒有我們了。

這些解釋還是在講故事，一連串錯綜複雜的事件不過強調了我們居住的太陽系有多古怪。

從目前的數據上看，“大策略”理論還是頗有希望被證實的。“初步跡象開了個好頭，”Laughlin“那些周圍存在超級地球的恆星是沒有類似木星的遠處行星的”

到底能不能被證實，得到了2017年太陽系外行星調查衛星(TESS)發射之后才能揭曉。外行星調查衛星將在太陽附近搜尋行星。

Laughlin不會一直按照“大策略”模型來。“我們只是知道了太陽系比較特別，”他，“這是初步理解這一現實所要做的工作之一。我敢肯定，還會有很多更好的更有服力的理論在等我們。”

只有小古怪，沒有大不同

太陽系真的古怪到孤家寡人的地步？“眼前所有的跡象都在暗示我們是這個宇宙的稀有物種，”Walsh。但同時，宇宙行星的排查工作還遠位完成。

天文學家只是尚未探測到許多類似太陽系中的行星。“只用目前的方法更難難發現與我們類似的行星系統，”來自賓夕法尼亞州立大學的行星學家Jim Kasting，“我們沒找到並不意味它們不常見，只能明它們不容易被發現。”

“尤其是當前的望遠鏡還看不到其它小於地球的行星。也沒有一顆外行星調查衛星有能力在其他類太陽系星系中探到一顆在軌道半徑與大小上類似地球的行星。”

在太陽系外發現更大的這樣的行星需要更多的時間。目前開普勒和TESS只能通過行星走到恆星前留下的暗點來撲捉行星的蹤影。但是由於很多行星軌道太大，像土星的繞軌道一周需要29年，天文學家撲捉一次行星過境需要等上很多年。

但是我們依然不缺少分析關於軌道半徑比水星還短的超級地球的數據。“它們太常見了，”Laughlin。少見的是軌道半徑類似於木星的氣體行星。像太陽這樣的恆星也不是少到稀有的程度，總數占整個銀河系所有恆星的10%。“所以，太陽系是某種程度上的古怪。”

到底，“古怪”只是一種主觀感受。有人估計銀河系有五分之一的類太陽恆星擁有這樣古怪的配置，占銀河系恆星總數的2%左右。不要覺1%和2%很小，銀河系有幾千億個這樣的星系，1%就意味幾十個億。

“這種情況下，如果太陽系依然能獨樹一幟，就真的讓人驚嘆了”，NASA埃姆斯研究中心(Ames Research Center)的行星學家Jack Lissauer道。“從幾十億個星系中脫穎而出几乎是不可能的。”

這也是個好事，找到“地球雙胞胎”的可能性大大提升。Lissauer他相信地球是唯一的，也相信那裏也可以像地球一樣生機勃勃。

同樣樂觀的還有Kasting，“我們的太陽系不是唯一的。”

所以，縱覽整個銀河系，只有小古怪，沒有大不同。(杜夏德)