天文學家知道恒星和行星都由星際氣體云形成，但仍不清楚具體機制。

　　圖片來源：Jasiek Krzysztofiak

　　成千上萬個迥異于地球的恒星系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)解構了我們對行星形成的想法。天文學家正在尋找一個全新的理論。

　　20世紀90年代中期，有一個理論如此美麗——核心吸積理論。它的美麗在于僅利用一些基本的物理和化學原理就解釋了太陽系的每個主要特征。它解釋了為何所有的行星都以相同的方向圍繞太陽運行，為何其軌道幾乎是完美的圓形，為何4個內(nèi)行星（水星、金星、地球和火星）是主要由巖石和鐵等構成的相對較小的致密體等問題。因為相同的物理和天文學原理一定適用于整個宇宙，因此它預測，其他恒星周圍的任何系外行星系統(tǒng)都大致相同。

　　20世紀90年代中期，天文學家開始找到這些系外行星，發(fā)現(xiàn)它們看起來一點也不像太陽系。木星大小的氣體云在很小的軌道上繞恒星運行，而根據(jù)該理論，這種情況是不可能存在的。其他系外行星按橢圓軌道運行，還有一些環(huán)繞恒星極點運行。行星系統(tǒng)似乎可以按不違反物理定律的任意形狀運行。

　　2009年，美國宇航局（NASA）發(fā)射了探索行星的開普勒探測器，令發(fā)現(xiàn)的系外行星數(shù)量迅速增加至數(shù)千個，足以令天文學家獲得關于其他行星系統(tǒng)的一個有意義的統(tǒng)計數(shù)字，并打破人們一貫認可的標準理論。人們發(fā)現(xiàn)，不僅存在許多系外行星系統(tǒng)與太陽系毫不相似，就連最常見的行星類型，即大小介于地球和海王星之間的“超級地球”，也不存在于太陽系中。加州大學圣克魯斯分校天文學家Gregory Laughlin稱，將太陽系的行星家族作為模型的方法，“在探索系外行星方面沒有取得任何成功”。

　　這樣的結(jié)果引發(fā)了爭議和困惑。天文學家開始嘗試其他想法。加拿大理論天體物理學研究所的Norm Murray表示，這一領域的當前狀態(tài)“并沒有什么進展”，現(xiàn)在無法解釋一切。麻省理工學院（MIT）天體物理學家Kevin Schlaufman對此表示同意。在研究人員達成新共識前，他們還不能理解太陽系如何存在于宇宙的大框架中，更別提預測可能存在的其他星系了。

　　行星的產(chǎn)生

　　在探索總體理論的過程中，天文學家認為核心吸積理論有正確的部分：星際的氫氣和氦氣云撞擊，直到其核心的密度和溫度足夠燃燒起來，恒星從而誕生，而行星是恒星誕生時的殘留物。

　　其中一些氫氣和氦氣云并未直接成為新生恒星，而是圍繞著它，形成一個圍繞恒星赤道的薄的平坦圓盤。這些氣體中帶有一些較重元素的固體顆粒，如碳、氧、硅和鐵。當圓盤冷卻下來時，靜電使這些顆粒聚集到一起形成松散的組織，并最終成長為幾公里直徑的物體，被稱為“星子”。然后產(chǎn)生引力作用，這些星子互相碰撞成碎片，又聚合成長為完整的行星。當這一切發(fā)生時，周圍氣體的摩擦使其產(chǎn)生了近圓形的軌道。

　　核心吸積理論過程在不同的地點產(chǎn)生了不同的結(jié)果。在中心位置，唯一能從新生恒星的高溫中幸存下來的是鐵和各種礦物質(zhì)等高熔點物質(zhì)。結(jié)果是產(chǎn)生了一個巖石—鐵行星的內(nèi)部系統(tǒng)，由于整個圓盤的固體物質(zhì)較少，其質(zhì)量和地球差不多或者更小。

　　然而，在遠離恒星的位置，圓盤的溫度足夠低，比鐵和巖石更豐富的冰得以保存，并聚集成星子。當星子長到地球質(zhì)量的10倍時，它們開始吸入周圍的氫氣和氦氣，并迅速聚積為像木星和土星一樣的大型氣體星球，質(zhì)量是地球的幾十倍或幾百倍。它們在吸凈軌道上的氣體后才會停止增長。

        奇異的行星

　　核心吸積理論非常完美地與太陽系的情況相匹配。不過在1995年，瑞士的觀察者報告發(fā)現(xiàn)了首顆明確的系外行星，而標準模型似乎差了點什么。對其恒星Pegasi51的精確測量顯示，行星引力作用產(chǎn)生了微小的反復變化。數(shù)據(jù)表明，該行星質(zhì)量是地球的150倍，接近木星的一半。這顯然將其歸類于大型氣體行星。但該行星以4個地球日的周期圍繞恒星運轉(zhuǎn)，距恒星僅為750萬公里，這說明該氣體盤在形成時周圍的溫度達到2000開，但該溫度下冰和氣體是不可能存在的?！斑@就好像我們發(fā)現(xiàn)了本不應該發(fā)現(xiàn)的東西?！瘪R里蘭大學天文學家Derek Richardson說。

　　天文學家稱之為熱木星。他們很快找到了這樣的巨大系外行星的族群，并發(fā)現(xiàn)了其他怪事：WASP-7b圍繞其恒星的兩極運轉(zhuǎn)而非赤道；HD80606D的軌道高度橢圓；HAT-P-7b的軌道方向與其恒星的自旋方向相反。

　　到2000年，天文學家已經(jīng)找到了30顆系外行星；2008年，該數(shù)字達到330顆。隨后NASA發(fā)射了開普勒尋找系外行星。開普勒通過檢測物體經(jīng)過恒星時恒星光芒的微弱變化確定行星。與徑向速度技術相比，這種方式可以找到更小的行星，令天文學家有機會發(fā)現(xiàn)其他和地球類似的行星。開普勒目前已經(jīng)找到了974顆系外行星，尚有4254顆正在等待進一步的地面測量確認。

　　開普勒發(fā)現(xiàn)的行星在奇怪的系統(tǒng)中運行著。例如，開普勒-56系統(tǒng)中的兩顆行星分別是地球質(zhì)量的22倍和181倍，都與恒星平面呈45度角運行。開普勒-36系統(tǒng)中的兩顆行星之間的距離非常近：其運行周期分別為14天和16天。其中一顆是巖石行星，比另一顆冰行星的密度高8倍?！八鼈冊趺磿x得那么近？”Richardson問道，“而且怎么會如此不同？”

　　獨特的地球

　　問題是如何解釋所有這些行星系統(tǒng)的多樣性。一般情況下，天文學家會以標準的核心吸積理論開始，再加入那些太陽系中沒有的過程進行分析。超級地球卻很難解釋。MIT研究系外行星的物理學家Joshua Winn表示，超級地球長期以來沒有一個一致的定義?！俺壍厍蚝芸赡懿皇堑湫偷镍B，更像是企鵝?！辟e夕法尼亞州立大學天體物理學家Eric Ford形容道。

　　超級地球的大小需要解釋。標準理論并不能做到，因為在現(xiàn)有的模型中，恒星盤的中心區(qū)域包含的物質(zhì)過少，以至于不能產(chǎn)生接近超級地球的星球。在加州大學圣克魯斯分校的Douglas Lin和同事所嘗試的模型中，首先假設恒星圓盤的質(zhì)量分布會因系統(tǒng)的不同而有所不同。之后便是“不斷的遷移”，Lin解釋道，所有類型的行星都在圓盤外部成長為完整的尺寸，然后再按順序向內(nèi)移動。

　　這種模型很有吸引力，但是遷移的概念卻令研究人員有些遲疑。建模者發(fā)現(xiàn)很難解釋為何遷移的行星會停止在天文學家觀測到的軌道上。Winn稱，在模型中，它們并沒有停止在那樣的位置上。也許最大的問題在于為何我們的太陽系與其他星系如此不同。為什么它不包含和太陽類似的恒星周圍的那種行星？

　　未來的觀測可能會給出一些答案。開普勒的前行一直步履蹣跚，不過上個月它被批準繼續(xù)尋找數(shù)據(jù)。它運行的時間越長，能觀測到的系外行星軌道范圍就越大?；诘孛娴奶綔y計劃正在開始使用改進過的設備進行操作。從2017年開始，NASA計劃的系外凌日行星探測衛(wèi)星（TESS）將會探索天空中所有明亮恒星所發(fā)生的行星凌日現(xiàn)象?？赡艿暮蜻x系外行星的范圍也許會使天文學家發(fā)現(xiàn)像太陽系一樣的星系。

　　與此同時，研究人員繼續(xù)發(fā)展著他們混亂的模型。Murray指出，如果當前的理論與現(xiàn)實脫節(jié)了，不再美麗，那也是科學界情理之中的事情。（張冬冬）