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太阳系比我们想象的更与众不同

来源:环球科学

TRAPPIST-1恒星系七颗行星的大小都与地球相当。图片来源:NASA-JPL and Caltech

我们的太阳系有多特别?天文学的历史就是我们从神创论开始,逐渐意识到太阳系其实平凡无奇的过程。我们一度以为太阳系的行星是按照上帝所创的完美轨道运行的,并由于“天体的律动”而偏离了正圆的轨道。行星非圆形轨道的证明人约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler)曾试图寻找某种基于柏拉图数学实体的新轨道模式来找回神圣的感觉,但多年以后,随着天王星的发现,这种观点被否定了。

而在去年,加利福尼亚的一个晴朗午后,我发现了一些地外行星的运行模式与我们的太阳系不同,我很困惑。这些模式是真实的,抑或只是假象?如果事实如此,那它对于太阳系在宇宙中的地位意味着什么?

除了太阳系,我们现在已知的多行星系统已经超过400个,这得益于NASA的开普勒计划。开普勒号(以17世纪的德国天文学家开普勒命名)是NASA于2009年发射的一枚太空望远镜,旨在探测其他恒星系的地外行星。具体的探测方法是,对100,000颗恒星的亮度进行连续测量,并等待经过的行星遮挡所引起的亮度细微变化。每个行星经过时都会造成独一无二的影响,以此为依据,就能够发现围绕一颗恒星的多颗行星。

在那个晴朗的午后,我发现:同一恒星系中的不同行星尺寸大抵相同。例如,某颗地外行星的半径是地球的1.5倍,那么其所在恒星系的其他行星半径也会接近地球的1.5倍。

这个发现完全超出了我们的预期。在我们的太阳系中,从水星(半径不到地球的一半)到木星(半径超过地球的十倍),各个行星的尺寸差异悬殊。由开普勒号所发现的所有地外行星的尺寸范围从地球半径的四分之一到二十倍不等。但即使不同地外行星的大小跨度这么大,处在同一个恒星系中的行星大小也极为接近。我的一位合作者将这些同一恒星系中大小相近的行星形容为“同一个豆荚里的豌豆”,这一戏称也成了我们对该模式的简称。

为了验证“豌豆荚”模式的正确性,我在电脑上模拟了一个行星系统,让随机大小的一些行星围绕一颗固定的恒星运转。这么做是因为,开普勒号寻找行星的方法更倾向于发现靠近恒星的大行星,通过计算机模拟过程,我们想知道开普勒号所用的方法能否保证在所有模拟的随机行星大小的多行星系统中的行星都符合这个模式。

图中表示了在加利福尼亚开普勒调查中,包括太阳系(SOL)在内的多行星(四颗或以上行星)系统。每行代表了一个行星系统,恒星名称在最左侧,行星的轨道距离以天文单位(AU)表示在右侧。图片来源:Lauren Weiss

答案是否定的,在超过1000次实验中,拥有随机行星大小的多行星系统在经过虚拟的开普勒探测计划观测之后,得到的结果不是“豌豆荚”模式。因此,大小有规律的行星系统是一种真实存在的天体物理学模式,而不是观测误差。

除了拥有相近的大小,“豌豆荚”模式中的行星还存在有规律的行星间距。我们发现,可以用第一对行星间的轨道距离来很好地预测预测第三颗和第四颗行星的间距,并以此推出第四颗及之后每颗行星的间距(太阳系的行星也存在这种规律,直到天王星为止的行星间距都符合提丢斯-波得定律,但海王星和冥王星并不遵循这一模式)。此外,行星的尺寸和它们的间距之间也存在某种联系,拥有越小行星的系统,行星轨道距离也越近。

这些模式意味着什么?行星形成当然符合物理学法则,但在行星诞生时期的混乱环境中,我们说不清这些物理规律如何在其中起作用。大部分的行星形成理论都提出于发现第一颗地外行星之前,这些理论都是为解释我们的太阳系如何在充满气体和尘埃的星云中产生而建立的。其中一个被广为接受的理论(虽然还未被证实)认为,行星的形成受到一种“寡头机制”的影响,即每一颗原始行星都能影响距离中心恒星一段固定轨道宽度范围内的星云尘埃。(冥王星已经被从太阳系的行星名单中剔除,因为冥王星的大小不足以让其成为“寡头”之一。)

按照“寡头”理论的预言,每颗质量接近的“寡头”会分布在间隔均匀的轨道上,而“寡头”的具体大小则取决于它所能影响的轨道宽度。然而,由于我们的太阳系并不是由质量接近的行星构成的,“寡头”的形成被认为只是太阳系历史的一小段篇章,早期的“寡头”体制被后来的强烈冲击颠覆,最终形成太阳系现在大小多样的类地行星。

然而,数以百计的地外行星所表现出的模式,定性地说,正符合被我们冷落已久的“寡头”理论。也许,“豌豆荚”里包裹着的“豌豆”就是“寡头”行星后来的样子。如果事实如此,它们又是如何避免冲击,从而没有变成今天太阳系的样子的?如果我们坚持观察这些“豌豆荚”的基本特性,也许就能找到答案。或者我们也许会找到更多的行星来打破这一规律,就像我们曾经发现天王星的运行轨道偏离了开普勒所提出的太阳系行星运行规律一样。尽管如此,我想开普勒也会觉得欣慰,得益于以他命名的望远镜,我们发现开普勒行星定律的适用范围不仅仅是太阳系,还包括成千上万的行星系统。

作者: Lauren Weiss

翻译:林志鹏

审校:施怿

本文来自:环球科学
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