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出身苦寒的“大雪球”何以变得炽热?

编者按:
几千年来,人们对行星系统形成与演化的理解都来自于对太阳系的研究。就在太阳系家族中,一位母亲散发着光芒,八个孩子的境遇却不尽相同:小女儿水星离娘最近,被“温暖”环绕;地球离娘家就隔了两条街,不冷不热、距离刚好;长子木星却出身苦寒,像个“大雪球”一样,住在远方,备受冷落。
 
百多年间,科学家们一直致力于在太阳系外寻找类似的“一家几口”,结果是:类似地球这样“多子”的家庭是否存在还未可知,但是各家长子的境遇却不尽相同。有的跟太阳系一样备受冷落,有的却备受宠爱,被温暖环绕。
 
这是为什么?天问专栏第十七期,带你揭开类木星的冷暖之谜。
►Pierre-Simon de Laplace天体力学鸿篇巨著 Mécanique céleste 1828年版封面,他也是第一位利用完整的数学公式建立行星形成理论的伟大科学家。图片来源:耶鲁大学教授Gregory Laughlin拍摄于UCSC Science Library.
 
撰文 | 王松虎(耶鲁大学)
责编 | 吕浩然
 
人类永远难以摆脱的就是那与生俱来的、莫名的孤独感。
 
千百年来,我们在不断追问:太阳系在宇宙中是特殊的吗?我们脚下的这个蓝色星球是人类唯一赖以生存的家园吗?茫茫宇宙中,还有其他生命吗?
 
我们正处在人类历史上一个前所未有的时代,一个前所未有的接近这些问题答案的时代。
 
下一个太阳系
 
人类认识宇宙的历史,也是人类不断正确认识自身在宇宙中位置的历史。418年前燃烧在罗马鲜花广场上,那吞没乔尔达诺·布鲁诺身躯的熊熊烈火,告诫着人们对红太阳不敬的严重后果,也向在宽敞明亮的教室里学习的我们诉说着先烈们为人类每一次进步付出过怎样的代价。太阳说到底是星星,只不过离我们更近一点罢了。从那时起,人类就再也不能抑制寻找下一个太阳系的渴望。
 
作为一个受过职业训练(这不是吹嘘自己,主要是吹嘘老板)的天文工作者,我经过长期课余时间观(八)测(卦)发现,仅仅产生找到男(女)朋友的渴望是不足以让你找到男(女)朋友的。同理,仅仅产生寻找下一个太阳系的渴望也是不足以让我们找到下一个太阳系的,我们首先得想清楚:我们想要找到一个什么样的太阳系。
 
如果你想找一个围绕另一个类似太阳的恒星旋转的、有八个行星的系统,其中第三颗岩石行星公转一圈恰好是365天,而且这个行星上恰好有一个你在看一个叫王松虎的天文工作者写的文章。我可以负责任的告诉你,死了心吧!宇宙中没有这样的太阳系。
 
既然我们找不到和“现任”一模一样的“下一任”(何苦呢?),那么,我们能不能找到一个与太阳系“大体一样”的系统呢?所以横亘在寻找下一个太阳系之前的首要问题,就是这个“大体一样”是怎么个“大体”法。
 
太阳系的特征
 
想说明太阳系的大体特征,真是千言万语不及一幅画。
 
我们可以从图1里看出,太阳系有八颗行星(冥王星,我们想念你!)。在离太阳比较近的地方,依次是水星、金星、地球、火星四颗比较小的行星(small planets);离太阳比较远的是木星、土星、天王星、海王星这四颗比较大的行星 (Jupiter-like planets)。
 
太阳系最大的行星是木星,它的质量是地球质量的三百多倍,如果地球是个3岁的孩子,木星就是一头非洲象。木星比太阳系其它所有行星加起来还重好多。在家里谁脾气大谁说了算,而在行星系统中谁质量大谁说了算。现有的太阳系形成理论普遍认为,木星在太阳系动力学演化过程中起着主导作用[1,2,3]。
 
木星离太阳很远,其表面温度低达零下150摄氏度!于此形成鲜明对比的是水星,水星离太阳比较近,其向阳面的温度可达430摄氏度。水星是离太阳最近的行星,水星轨道以内,什么都没有!
 
太阳系为什么会有这种外面四颗行星比较大、里面四颗行星比较小,最里面又什么都没有的构型呢?
 
我们可以把行星形成想象成雪球形成:离太阳特别近的地方,雪都被烤化了,不能形成雪球很正常;稍远一点的地方,没那么热了,有点雪了,可以滚出较小的雪球;特别远的地方特别冷,雪很厚,很容易滚出很大的雪球,木星就是那个最大的雪球。我们抱着对太阳系如此“成熟”的理解,开始了一段惊心动魄地搜寻下一个太阳系的旅程。
 
第一颗太阳系外行星:51 Pegasi b
 
如何探测太阳系外行星真的是人类智慧结晶的体现,本该花些时间在这里仔细介绍,但是每当我指着一张光变曲线图对别人说这是凌星法探测系外行星的时候,总有一种回到小学英语课堂, 英语老师严肃的指着一张汽车图片说“This is a car”的感觉。
 
总而言之,搜寻绕着别的太阳公转的行星很难,其间的难度不亚于站在雾霾笼罩的北京试图找到南京秦淮河路灯旁的一只萤火虫。然而世界上总有那么一些东西,让我们愿意克服一切困难去追寻。虽然现在已经探测到上千个太阳系外行星系统,但我还是愿意一遍遍地回顾那个人类历史上里程碑的一天。
 
1995年10月6日,日内瓦天文台的Michael Mayor和Didier Queloz发表文章宣布,他们探测到了第一颗围绕主序星的太阳系外行星51 Pegasi b [4],这颗行星大小与木星类似,但神奇的是,这颗木星距离它的主星(它自己的太阳)如此之近,以至于其表面温度居然高达上千度(所以我们称其为热木星)!
 
这就好比全国物理竞赛,题目是找雪球。绝大多数学生都去东北、新疆、内蒙古找,有条件的去北欧、格陵兰岛找,最差也留在北京碰碰运气,然而接下来出现了电影里都编不出来的剧情:第一个雪球居然是两个同学(Michael和Didier)在三亚桑拿房里找到的,还是个大雪球!为什么三亚桑拿房里会有一个大雪球?!
 
盘迁移理论的提出
 
著名理论天体物理学家,加州大学圣克鲁兹分校的林潮教授在51 Pegasi b发现六个月后,就提出了盘迁移理论对其存在进行解释[5]。盘迁移理论认为,根据经典行星形成核吸积模型[6], 51 Pegasi b这样的大雪球不可能在离太阳很近的地方形成,而是应该在类似太阳系木星所在的,离太阳比较远的地方形成。
 
因为那里温度较低,固体物质充足,在形成一个由岩石组成的约10倍地球质量的核之后,迅速吸积气体,成长成为木星。之后这颗木星在与周边残余的行星盘(可以简单的理解成滚雪球剩下的雪)的相互作用下,逐步从初始形成的高原苦寒之地,迁移到距离太阳很近的,也就是它现在所处的酷热无比的地方(图2)。
 
观测带来的挑战
 
再美好的理论,也要接受观测的检验。在具体展开盘迁移理论是如何接受观测检验之前,我们需要补充强调一下太阳系的另一个广为人知的特点,如图3所示:太阳系的八大行星都在一个平面上绕太阳公转,而且它们的公转方向与太阳自转的方向基本一致。八大行星所处的这个平面就是就是前文提到的盘所在的平面。
 
根据盘迁移理论,我们可以想象,假使木星在盘里形成,又从距离太阳较远的地方,在盘里逐步迁移到距离太阳很近的地方,那么它的公转方向理应始终与太阳的自转方向保持一致。
 
 
那么热木星的公转是否和它的主星的自转方向一致呢?
 
2000年,发现51 Pegasi b的天文学家Didier Queloz(现在就职于剑桥卡文迪许实验室)首次测量了热木星(HD209458b)的公转与其主星自转方向的一致性——结果非常一致[7]。接下来几年,世界各地的研究人员对其它几个热木星的测量也都得到了类似结果。那时真可谓是盘迁移理论的黄金时代!
 
然而生活就像打麻将,你永远不知道下一张牌是什么。在盘迁移理论听牌坐等和的时候,却摸出一个XO-3b。2008年法国天文学家Guillaume Hébrard通过观测发现,热木星XO-3b的轨道公转方向和恒星自转方向居然不一致[8]!接下来的十年,大量观测证明,XO-3b不是一个人在战斗,相当多的热木星的公转方向与其主星的自转方向都不一致[9]。
 
到底是哪里出了问题?
 
一种可能是,行星的确像盘迁移理论认为的那样,在盘里出生,在盘里长大,在盘里游来游去。但是这个盘有可能和恒星自转本来就有个夹角。关于这个夹角是怎么来的,有很多种理论解释。由于这些解释涉及恒星形成与演化[10,11],磁场和行星盘相互作用[12]等复杂的物理过程,在这就不一一展开了。
 
另一种可能:动力学迁移模型
 
让我们重新回到我们想要解决的问题:在离太阳很远的地方有一颗行星,你要把它送到离太阳很近的地方,该怎么做?对于一个足球迷来说,我们可以把这个问题直接镜像成一个足球问题,你在离球门很远的地方有一个球,你要把它送到离门很近的地方,你该怎么做?盘迁移理论就像行云流水的巴萨,通过地面配合将球送至对方禁区。但是英超球迷不怎么喜欢这种不温不火的踢球方式,他们更希望足球直接被一个大脚送到对方禁区——这就是动力学迁移模型。
 
在盘迁移理论提出的同年底,天体动力学家Fred Rasio和Eric Ford发表文章指出,如果在距离太阳较远的木星形成区,形成了不止一颗木星,这些木星由于靠得很近,之间会发生激烈的动力学相互作用,其中的一颗木星有可能被一个大脚送到太阳身边,从而形成热木星[13]。
 
2003年,多伦多大学的天体动力学家武延庆与Norman Murray进一步提出,系统中如果存在其它恒星(“天有二日”),那么出身“苦寒”地带的木星,也有可能被第二颗太阳通过Kozai-Lidov效应[注]送到第一个太阳身边[14]。
 
由于这种英式开大脚的动力学迁移方式比较激烈,可以轻易地将行星送离原本所在的运动平面,从而很好地解释了热木星公转和主星自转方向不一致的观测特性,因此备受青睐。
 
按照动力学迁移理论的理解,我们太阳系的行星公转和太阳自转方向之所以基本一致的原因,很可能是因为我们太阳系这样有序的多行星系统,并没有经历过被开大脚的的惨烈过程。
 
那么问题又来了:是不是所有的、有序的多行星系统的行星公转和其主星自转方向都一致呢?对这个问题“是”或者“否”的回答,很可能会成为主导这场“盘迁移vs.动力学迁移”争论的胜负手。
 
迄今为止,科学家们对四个(具有一致统计意义的)多行星系统的观测结果显示(图4),正如动力学迁移理论预言的一样,它们的行星公转和主星自转方向的确都一致[13]。但不要忘记,当年最早测量的六个热木星的公转轨道也和主星自转轨道方向一致,结果怎么样?即将于4月16日发射的NASA空间卫星TESS,将会发现更多的、可被地面望远镜有效观测的多行星系统,让我们有机会来对这个问题进行更大样本的、更深入的研究。动力学迁移机制躲过了初一,躲不躲的过高三呢?我们拭目以待。
 
 
热木星是否孤单?
 
由于现有的技术还无法直接观测行星形成和迁移的整个过程,所以想判断这些大雪球到底是通过激烈的动力学过程,还是平静的与盘相互作用迁移到三亚桑拿房的,我们只能通过其表现出的特性来进行逻辑推断。
 
由于动力学迁移过程非常激烈,通常会把一路上的其它行星全部赶走,所以动力学迁移预测热木星应该比较孤独,周围没有其它行星。与之相反,盘迁移理论里的木星,在迁移过程中更加气定神闲、不慌不忙,不会像彭城之战的刘邦那样——为了跑路,抛妻弃子。因此,盘迁移理论预测热木星周围应该还有其它行星。由此可见,热木星周围到底有没有其它行星是区分这两种理论的另一个关键所在。
 
Jason Steffen和Chelsea Huang对约1/5已知的热木星进行了高精度的观测研究,结果并没有发现它们周围存在其它行星[14, 15]。一个盒子有5个黑(白)球,你先闭着眼睛摸出来1个,一看是白的,你敢不敢说,剩下4个都是白的?虽然我不敢说剩下的都是白的,但我至少敢说这5个球不全是黑的。同理,热木星不应该全是由盘迁移送到太阳身边的。
 
就在动力学迁移形势一片大好的时候,Juliette Becker在2015年从Jason Steffen和Chelsea Huang没有抽的4/5的球里抽出一个非常重要的球——WASP-47。她通过高精度观测发现,热木星WASP-47b周围存在两颗之前由于观测精度不足,没有被发现的行星[16]!这一观测结果使得问题变得更加扑朔迷离。这个盒子里的球到底多少是黑?多少是白?到底有多少热木星周围存在其它行星?
 
值得期待的是,TESS空间卫星在接下来的两年里将抽遍盒子里的每一个球,进而观测它们究竟“是黑是白”。届时,我们将有机会对持续了20多年的热木星迁移之谜,有一个终极的认识。 
 
太阳系为什么没有热木星?
 
当我们聊了这么多太阳系外行星系统里木星的迁移之后,再回过头来看我们的太阳系,可能即刻想到的一个问题就是:我们太阳系的木星为什么没有迁移到离太阳很近的地方?那头非洲象为什么没有朝着太阳奔驰而去,并从地球这个三岁孩子的身上呼啸而过,进而将寄居在他身上的所有生命碾得粉碎?
 
一种可能是木星只能通过动力学迁移方式由寒冷的边疆搬到酷热的海南岛。由于太阳系没有第二个太阳,也没有足够多的雪形成与木星质量相当的其它行星,没有谁有能力将木星一脚送到太阳身边。
 
另一种可能是由法国尼斯天文台天体力学家Alessandro Morbidelli提出的:盘迁移的确是一个靠谱的物理过程,我们太阳系的木星曾经就在盘里向内迁移过,但是没走多远就被土星拉住了,而且还被拉着往回走了一段[2]。“If you love someone, put a ring on her. ”现在我终于理解土星为什么有土星环了(rings),她拯救了太阳系啊(阻止了木星向内迁移)!如果这个对“太阳系里木星为什么没有变成热木星?”的理解是对的,那么是不是系外行星系统中,每一个愿意生活在苦寒地带的木星,都有一个能留住他的土星呢?
 
这就是为什么我在可居住系外行星如此有公众缘的情况下,依然选择了行星的形成与演化这个主题的缘由。只有我们真正理解了行星的形成、演化规律之后,才能理解太阳系的普遍性与特殊性。也只有我们真正理解热木星的起源之后,才能真正理解我们为什么有机会在这个微如尘埃的蓝色星球上生存、繁衍。
 
*注:更多有关Kozai-Lidov效应的内容,请关注作者个人公众号“王松虎”进行了解。此处因篇幅有限,并未作展开。
 
参考文献:
[1] Tsiganis K., Gomes R., Morbidelli A., & Levison H. F. 2005, Nature, 435, 459
[2] Walsh K. J., Morbidelli A., Raymond S. N., O'Brien D.~P., & Mandell A.~M. 2011, Nature, 475, 206
[3] Batygin K., & Laughlin G. 2015, Proceedings of the National Academy of Science, 112, 4214
[4] Mayor M., & Queloz D. 1995, Nature, 378, 355
[5] Lin D. N. C., Bodenheimer P., & Richardson, D. C. 1996, Nature, 380, 606
[6] Pollack J. B., Hubickyj O., Bodenheimer P., et al. 1996, Icar, 124, 62
[7] Queloz D., Eggenberger A., Mayor M., et al. 2000, A&A, 359, L13
[8] H ́ebrard, G., Bouchy F., Pont F., et al. 2008, A&A, 488, 763 
[9] Winn J. N., & Fabrycky D. C. 2015, ARA&A, 53, 409 
[10] Bate M. R., Lodato G., & Pringle J. E. 2010, MNRAS, 401, 1505
[11] Rogers T. M., Lin D. N. C., & Lau H. H. B. 2012, ApJ, 758, L6 
[12] Lai D., Foucart F., & Lin D. N. C. 2011, MNRAS, 412, 2790 
[13] Wang S., Addison B., Fischer D.~A., et al. 2018, AJ, 155, 70
[14] Steffen J. H., Ragozzine D., Fabrycky D. C., et al. 2012, Proceedings of the National Academy of Science, 109, 7982 
[15] Huang C., Wu Y., & Triaud A. H. M. J. 2016, ApJ, 825, 98 
[16] Becker J. C., Vanderburg A., Adams F. C., Rappaport, S. A., & Schwengeler H. M. 2015, ApJ, 812, L18
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