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行星流浪汉到底有多少?

 
 
导读 
 
行星形成理论预言星际中应该有孤独的流浪行星,但它们极其暗弱。天文学家是如何发现它们的?流浪木星数量真的是恒星数量的两倍?流浪行星上会有外星人吗?本文将介绍关于流浪行星的搜寻方法、数量估算、存在生命的可能性等多个方面的内容,同时包括《自然》杂志发表的相关最新进展。
 
撰文 | 臧伟呈  毛淑德
责编 | 吕浩然
 
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茫茫宇宙间,有一群“悲情”的天体——流浪行星(free-floating planets)。顾名思义,流浪行星不像我们的地球一样,时刻绕着自己的“太阳”运行,而是如同流浪汉一样,在宇宙中孤独地漂泊。它们可以在自己的引力下直接塌缩而成,也可能在太阳系这样的多行星系统内形成:行星之间可以互相碰撞、散射,其中的一些行星被母星无情地逐出了诞育它们的恒星系统,成为流浪行星。
 
它们独自在冰冷黑暗的宇宙空间中穿梭流浪,并不能如同恒星一样闪闪发光,附近又没有母星可以照亮前路,只能与黑暗为伍,孤独前行。正因如此,它们极难被天文学家捕捉探测。即使有些流浪行星中的“大块头们”努力地利用自身微弱的红外辐射向我们“挥手”,但目前利用红外成像所捕捉到的流浪行星也是屈指可数,且块头(质量)偏大,相比于已经发现的3600多颗围绕母星运行的系外行星,可谓凤毛麟角。
 
如何有效地探测到这群不被命运眷顾的流浪行星呢?聪明的天文学家想到,也许可以利用流浪行星的引力做文章,即利用流浪行星所产生的微引力透镜效应,发现流浪行星的踪迹。 
 
微引力透镜——行星搜索器
 
当我们观测遥远的恒星时,如果中间有其它恒星或行星穿过,这些过客(我们称之为透镜天体)的引力作用,会像凸透镜一样将光线汇聚,导致观测的恒星亮度增加(如图2所示),这就是微引力透镜效应。
 
如果过客是单一天体的话,背景恒星的亮度变化曲线为单峰,且大多数情况下左右对称(如图3所示)。但如果过客是一个“拖家带口”的恒星(如太阳),光变曲线很可能有多个峰,并且有可能呈现“翻天覆地”的变化,即使环绕该恒星周围的行星质量不足恒星质量的万分之一[1](如图4所示)。1991年,本文作者之一与Bohdan Paczynski教授一起,率先提出利用微引力透镜寻找系外行星的方法[2]。目前为止,已有约60颗系外行星通过这一方法被找到。
 
微引力透镜事件有一个非常重要的时标参数:tE ,可以大致描述事件信号的长短,它与透镜天体质量的平方根成正比,即透镜天体的质量越大,其产生的微引力透镜事件时标就越长[3]。一般来说,恒星质量的透镜天体引发的微引力透镜事件的时标一般在一个月左右,木星质量的透镜天体导致的事件时标仅1天左右。而我们赖以生存的地球,质量只有木星的千分之三,所导致的微引力透镜事件的时标更是只有几个小时左右。天文学家正是通过搜寻那些时标小于2天的微引力透镜事件,来寻找质量介于地球到木星质量之间的流浪行星的候选者。
 
争论:流浪行星到底有多少?
 
2011年,MOA(Microlensing Observations in Astrophysics)观测合作组织在《自然》杂志上公布了他们的结论,他们通过分析2005年和2006年的474个微引力透镜事件,从中找到了10个时标小于2天的事件(如图5所示)。综合考虑观测的选择效应,他们最终给出了“流浪木星”(质量与木星相当的流浪行星)的数量大约两倍于恒星数量的惊人结果[4]!
 
这一结果在行星科学界引发了轩然大波。“在微引力透镜领域,只有极少数的人相信MOA的结果,因为这一结果并不符合其它的观测以及理论。”俄亥俄州立大学的天文学家Scott Gaudi教授如此评价[5]。2016年,清华大学本科生马思政与合作者通过行星核心吸积理论所得出的流浪行星引发的微引力透镜事件的发生频率,仅仅是MOA结果的1/13[6]。
 
“如果将木星大小的行星比做相扑手,大概能更好地理解MOA结果的匪夷所思之处,”美国艺术与科学院院士、行星领域专家林潮教授打了这样一个比方[5],“木星可以轻易地将小质量行星‘抛出’恒星系统,就如同相扑手将小孩扔出赛场一样轻松。但相扑手之间却需要花很大力气才能将对手淘汰出局。问题是,MOA不仅宣称有大量的相扑手被扔了出去,而且扔出去的居然比留下的还要多。”
 
而在今年7月24日,来自波兰的OGLE观测组织在《自然》杂志公布了其对2010至2015年间2617个(6倍于MOA的样本)微引力透镜事件的分析,结果表明:流浪行星的数量上限是恒星数量的0.25倍,而最大可能是恒星数目的0.05倍[7]。
 
这一结果与理论预期以及红外的观测结果基本吻合。但MOA的领导者之一David Bennett教授,依然选择坚持自己的结论。他将MOA与OGLE结果的不同,归咎于样本的收集以及分析方法的差异:两者样本收集的天区不同,而且OGLE将一部分MOA认为是巨行星的事件,归类为褐矮星事件(褐矮星被称为“失败的恒星”,它由于质量不足无法成为燃烧的恒星[8],质量约为13到80个木星质量)。
 
引人注目的是,OGLE同时还公布了6个时标短于0.4天的微引力透镜事件(如图6所示),这些事件被认为是由1到10个地球质量的流浪行星引起的。OGLE文章的第一作者Mroz认为:“由于OGLE对如此短时标事件的探测灵敏度非常低,因此,‘流浪地球’在宇宙中应该相当普遍,可能超过了恒星的数目。”[5]
 
遗憾的是,由于目前的观测限制(OGLE只有一台1.3米望远镜),他们很难估计“流浪地球”数目。而在全球有三台1.6米望远镜的KMTNet,自2015年开始了对微引力透镜事件的全面搜寻,其未来发布的统计结果将有助我们对流浪地球的数量建立更清晰的认识。
MOA和OGLE真的观测到了那么多流浪行星?
 
虽然MOA和OGLE宣称其观测到了几十个流浪行星的候选者,然而,这些短时标事件也可能根本不是由微引力透镜效应引起的。微引力透镜事件的典型特点是其(几乎)不会重复发生,而由其它因素导致的恒星自身亮度变化一般都是会重复的。但由于恒星自身亮度的短暂变化很难被再次捕捉到,这就可能让我们误以为亮度变化是由微引力透镜效应引起的。典型的例子就是OGLE-2015-BLG-1278事件,它的“时标”不到1天,但是2016年的跟踪观测发现了重复的信号(如图7),才让我们意识到这并不是一个微引力透镜事件。
 
短时标微引力透镜事件也可能是由高速穿过的恒星或者褐矮星导致。例如,OGLE-2016-BLG-1231这一微引力透镜事件的时标是2.1天,但俄亥俄州立大学的天文学家祝伟通过分析地面观测数据以及开普勒卫星数据,发现引发该事件的透镜天体只有约25%的可能性是流浪行星(质量小于13个木星质量)。由于现有的样本容量有限,即使MOA和OGLE的结果加起来,流浪行星的候选者也不过30多个,因此,这种高速穿行的恒星或者褐矮星可能将对统计结果产生较大的影响。
 
需要强调的是,迄今为止,微引力透镜并没有发现任何一个真正意义上的流浪行星,所有观测到的短时标微引力透镜事件都只是提供了流浪行星的候选体。目前,天文学家只是通过微引力透镜时标估计了透镜天体的质量,并非天体的实际质量。对于短时标事件,精确测量透镜天体的质量,离不开太空望远镜与地面观测的同步进行。
 
令人兴奋的是,美国国家航空航天局(NASA)计划于2025年左右发射广域红外巡天太空望远镜WFIRST,它将执行约432天的微引力透镜搜寻任务。也许到那时,关于流浪行星的数量以及其在银河系中的分布问题,会迎刃而解,而流浪行星的数目和他们的块头(质量)大小分布将对行星形成的理论和动力学演化过程提供宝贵的信息。
 
流浪行星可以孕育生命吗?
 
在没有恒星源源不断提供能量的情况下,流浪行星还能孕育生命吗?科学家提出了多种可能的情形。比如,热量可以来自于行星自身的地热,或来源于放射性元素的分解,甚至被“逐出”的流浪行星的卫星,还能通过潮汐力给予流浪行星热量[10]。而如果流浪行星有非常厚的大气层,大气层富含氢气[11],或者表面有一层10千米左右的冰层[12],那么流浪行星就有可能存在液态水,从而为孕育生命提供可能。
 
最后,也许有人要问,我们为什么花费那样大的气力去搜寻这些母星都不眷的流浪行星?也许David Bennett教授的回答能帮我们窥得一二,“如果你想要了解地外生命的可能性,那么不应仅仅搜寻那些和地球大小、轨道相近的行星。一个行星是否可居与很多因素相关:它的大气、它的历史、它的含水量等等,而所有这些因素追溯回去,将与行星形成的细节息息相关。所以,如果我们真的要去寻找地外生命,首先需要去了解行星形成的过程,而一些行星会在这一过程中被‘扔出’,然后成为流浪行星。”[5]
 
作者介绍:
臧伟呈,清华大学研究生,研究兴趣为搜寻太阳系外行星和微引力透镜。
毛淑德,清华大学教授、国家天文台研究员,主要研究方向:星系动力学、系外行星搜寻、引力透镜以及暗物质研究。
 
参考文献:
[1] Beaulieu, J.-P., et al. 2006, Discovery of a Cool Planet of 5.5 Earth Masses Through Gravitational Microlensing, Nature, 439, 437B (https://arxiv.org/abs/astro-ph/0601563)
[2] Mao, S., Paczynski, B. 1991, Gravitational microlensing by double stars and planetary systems, APJ, 374L, 37M (http://adsabs.harvard.edu/abs/1991ApJ...374L..37M)
[3] Mao, S. 2012, Astrophysical Applications of Gravitational Microlensing, RAA, 12, 947M  (https://arxiv.org/pdf/1207.3720.pdf)
[4] Sumi, T., et al. 2011, Unbound or distant planetary mass population detected by gravitational microlensing, Nature, 473, 349S (https://arxiv.org/pdf/1105.3544.pdf) 
[5] Billing, L. 2017, Wandering in the Void, Billions of Rogue Planets without a Home (https://www.scientificamerican.com/article/wandering-in-the-void-billions-of-rogue-planets-without-a-home/)
[6] Ma, S. et al. 2016, Free-floating planets from core accretion theory: microlensing predictions, MNRAS, 461L, 107M (https://arxiv.org/pdf/1605.08556.pdf)
[7] Mroz, P. et al. 2017, No large population of unbound or wide-orbit Jupiter-mass planets, 10.1038/nature23276 (https://arxiv.org/pdf/1707.07634.pdf)
[8] https://baike.baidu.com/item/%E8%A4%90%E7%9F%AE%E6%98%9F/493341?fr=aladdin
[9] Henderson, C. B., et al. 2016, Campaign 9 of the K2 Mission: Observational Parameters, Scientific Drivers, and Community Involvement for a Simultaneous Space- and Ground-based Microlensing Survey, PASP, 12814401H  (https://arxiv.org/pdf/1512.09142.pdf)
[10] Debes, J. H., Sigurdsson, S., 2007, The Survival Rate of Ejected Terrestrial Planets with Moons, APJ, 668L, 167D (http://adsabs.harvard.edu/abs/2007ApJ...668L.167D)
[11] Stevenson, D. J. 1999, Life-sustaining planets in interstellar space?, Nature, 400, 32S (http://adsabs.harvard.edu/abs/1999Natur.400...32S)
[12] Abbot, D. S., 2011, The Steppenwolf: A Proposal for a Habitable Planet in Interstellar Space, APJ, 735L, 27A (http://adsabs.harvard.edu/abs/2011ApJ...735L..27A)
 
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