外太阳系行星

黄心薇

长久以来，人类一直致力于探寻宇宙中是否存在另一颗地球。时至今日，凭着智慧和毅力，人类终于发现了第一颗太阳系外的行星——飞马座51号，而后陆陆续续又找到了20颗以上的外太阳系行星。然而，这些新发现的行星，是否和地球以同样的方式形成?在它们之中是否也存在着另一个文明世界?这些都是我们急欲寻求解答的。

现在，天文物理学家最想了解的是新发现的外太阳系行星与行星形成的关联性，并以此来评估在银河系中，类似地球般行星存在的可能性。目前人类对恒星及行星形成的理论已有很大的发展，但在新的行星系发现之前，这些行星形成的学说只能用来解释我们的太阳系而已。令人振奋的是，目前天文学家已经发现了20颗以上的外太阳系行星，下面我们就简单地讨论一下这些新发现的行星告诉了我们些什么。

行星与棕矮星

几年前，天文学家就已发现相对于一般恒星而言质量非常低的伴星，其中包括所谓的脉冲星行星及棕矮星，它们都同样令人感到困惑。正确指认所发现的低质量伴星到底是棕矮星还是行星，是一件很困难的事。除了分类命名外，尚需考虑星体的内部结构和形成机制。如果我们发现有一颗像木星般巨大的气体行星绕着一颗恒星公转，我们自然也会猜测此行星系中是否也存在有一颗像地球般的行星?然而，如果此伴星是棕矮星的话，我们就难以推断是否也有类似地球的行星在这个系统中形成。一般认为双星系统会破坏行星形成的机制，至少当此双星彼此间的距离和典型的行星轨道半径相仿时，行星将无法形成。

太阳系有两颗巨大的气体行星——木星与土星，它们的质量都不超过太阳质量的0.1％。棕矮星的形成过程和恒星一样，但质量小于0.08个太阳质量(在恒星演化过程中，点燃氢的热核反应所需的最低质量为0.08个太阳质量)。因为缺少热核能，并且主要是由氢和氦所构成，因此棕矮星的内部结构和巨大气体行星极为相似。例如Gliese229的伴星为一颗棕矮星，其光谱有很大的甲烷吸收带，跟木星很像。

巨大气体行星和棕矮星的不同之处在于它们形成的机制，木星及土星的核心为似冰及似岩的物质。在棕矮星及外太阳系行星尚未发现前，质量最小的恒星出现在主星序带较低的尾端处，质量大于或等于0.08个太阳质量。棕矮星及外太阳系行星的发现，填补了天文研究中介于最轻的恒星及最重的行星间的空档。可以预见的是，将来我们可能无法单单只用质量来区分恒星和行星。或许会出现一些行星，其质量大于最轻的棕矮星。如果真的发生了这种情况，到时必然会有其他定义星体的方法。现在，多数研究恒星与行星形成的科学家，他们主张利用形成机制来区别恒星与行星：恒星是由稠密的星际介质，如气体和尘埃组成的云气所生成的；而行星则是在恒星大致成形后才开始产生的，由环绕在恒星轨道上的碎屑物组成。

棕矮星乎?行星乎?

在新发现的行星中，有三颗行星的轨道具较大的离心率，即围绕着16CygaaiB、70Virginis及HD114762的三颗行星。依行星形成理论来看，行星的轨道应该是近乎圆形的，而且在轨道面飘移过后，轨道只会变大变小而已，应该不会改变形状。因此科学家认为，势必有某些其他因素在这三颗行星形成之后对它们的轨道造成扰动，使其离心率变大。围绕着16CygniB的行星，其轨道是受中央星的伴星16CygniA所影响，渐渐变成离心率高的椭圆形轨道；而另外两颗行星的质量皆大于6倍木星质量，远超过行星形成所需的最大质量，所以有天文学家认为它们可能是棕矮星而非行星。因为棕矮星的形成方式和行星不同，所以比起任何行星，它们可以以高离心率及高质量存在。

形成的机制

太阳系行星的形成，从恒星云气收缩塌陷而产生原始太阳，气体、尘埃组成的盘状云气绕着原始太阳旋转，并开始朝转轴两极上下喷出喷射流。在大部分绕星云气被重力吸落至恒星上之后，剩下的物质会凝结，并在绕星盘面上产生许多微行星。这些微行星在重力作用下反复撞击、结合，逐渐形成原始行星。位于太阳系内侧的行星因为受太阳高温的影响，大部分的组成物是一些不挥发的粒子，因而只能形成质量小且类似地球的类地行星；而位于太阳系外侧的行星因为需要大量物质的供应，所以它们应该在距恒星数个天文单位远的地方形成类似木星的巨大气体行星(绕星盘在此处含有较多行星形成时所需的物质)。然而，在我们所发现的太阳系外行星系中，大部分行星距中央主星都在1天文单位以内。以太阳系的形成理论来看，在距中央主星如此近的距离内，巨大行星是不可能存在的，所以这些巨大行星的形成方式可能和太阳系内巨大行星的形成方式有很大的差异。

在我们陆续观察到的现象中，最主要的进展之一是：发现一些非常年轻的恒星和老的恒星一样，也拥有伴星。这个发现意味着伴星在主星形成前就存在了。在原始恒星云气收缩塌陷阶段，原始的云气受本身重力的影响，在塌陷的过程中分裂成两个或更多个团块；其中一块变成恒星，另外的变成了行星和棕矮星。而距恒星很近的棕矮星，因为受到恒星高温的影响，从而变成了和木星一样的气体行星。另一种可能的解释是：巨大气体行星原本和太阳系中的木星及土星一样，诞生于距中央恒星较远的地方，而后受到圆盘的重力吸引，才慢慢迁移到现今的位置。停止迁移的机制可能有二：其一是受恒星和行星之间重力的影响，一旦行星非常靠近恒星，行星表面就会有潮汐涨高的情形，此时潮汐力会对行星产生一股推力，以抵抗圆盘对行星的吸引力；另一个原因可能是磁场，当行星飘移到靠近恒星的某个范围内时，受恒星磁场的影响，圆盘的引力就不足以再继续作用，而行星就停止向内飘移。

脉冲星行星被认为是在超新星爆炸成中子星之后形成的。在超新星爆炸的过程中，形成了脉冲星及脉冲星周围的吸积盘。脉冲星能高速旋转，归因于由吸积所获得的角动量。吸积盘最后因脉冲星的高能粒子风作用而消失，只剩下高速旋转的脉冲星和围绕着脉冲星的行星。

寻找行星的方法

外太阳系行星可利用直接或间接方法测出。直接的方法是寻找由星体本身所发射或反射的光线，如Gliese229的棕矮星伴星，就是用日冕仪望远镜发现的。但是，直接探测出外太阳系行星较发现棕矮星困难多了。在可见光范围内，太阳发出的辐射强度较木星反射的辐射强109倍，较地球反射的强1010倍；在红外线10微米的波长下，太阳辐射的强度较行星反射的强104倍～106倍!所以，在红外线波段直接侦测外太阳系行星，将会比在可见光范围内容易，从而成为主要的搜寻方法。寻找轨道距恒星只有几个天文单位的行星，需要用适当的大型地面望远镜或是太空望远镜以避免大气的干扰。

间接寻找外太阳系行星可以用视向速度，第一颗外太阳系行星便是用视向速度发现的。恒星在太空中的视向速度可以由多普勒位移测出，但是测量由行星伴星所造成的额外多普勒位移是件困难的事，这需要一个高分辨率的光谱仪及一颗在光谱中拥有许多吸收谱线的恒星。如果恒星的视向速度有周期性的变化，我们便可推测这是因为恒星在绕着系统的质心运转(行星伴随着主星将使得此恒星绕着系统的质心做轨道运动)，而视向速度振动的幅度则对其伴星的质量提供了下限。木星造成的太阳视向速度振幅为12米／秒，而目前的视向速度测量仪的灵敏度大约是在10米，秒的范围。用这种方法更易于发现高质量、短周期的行星。排除第一颗行星所造成的振幅后，若有其他残余的振幅，即可推测是否还存在其他行星。脉冲星行星系PSRB 1257+12即是利用此方法找出。

伴星会迅速地向前及向后横越轨道平面，造成周期性掩蔽恒星。在地面上观测时，视地球大气扰动的程度而异，从这些恒星上发出的周期性信号间所产生的相差，可以精确到10^-3角秒或更好。用这个方法可以计算出伴行星的存在。Ial21185恒星系的两颗与木星质量差不多的行星就是利用此方法测得，它们的轨道半径分别为2.5天文单位及10天文单位，轨道倾角40度。因为轨道周期很长(分别为6年及30年)，所以需要很长的时间来确认这一观测结果。

另一个寻找行星的方法是利用微重力透镜。当前景星体在观察者及背景星体所发出的光之间移动时，前景星可以改变背景星所发出光线的路径，使经过前景星的光线更为靠近前景星，这时候观察者就会发觉光线在前景星处发生了偏折现象，也就是说前景星的存在产生了类似透镜的作用。1936年，爱因斯坦根据相对论预测出星际间会有这种现象发生；1986年，帕琴斯基利用这个原理发展出侦测银河系中暗物质的方法。微重力透镜除了拿来研究银河系的结构及暗物质外，最近几年还用来寻找外太阳系行星。如果行星位于所谓的透镜区，这时的行星就扮演着前景星的角色，当背景光源经过这一区域时，它的微重力透镜光线会存在短暂的偏向或异常。这个技术还可以根据背景光源的光线，间接地测出行星的质量及轨道半径，除此之外，还可以测出用其他测量方法都测不到的昏暗的单、双星。

尽管外太阳系行星最近几年才被发现，但天文学家相信已有10个或更多的行星系统存在，最显著的证据就是在可见光波段环绕着β Pictoris星的行星盘。在红外线波段或在毫米波波段，天文学家都已经通过星盘踪迹气体分子观测到行星盘的存在。天文学家发现，在所有年轻的太阳型恒星中，约有一半显示出原始行星盘存在的证据。这些原始行星盘在理论上可以产生行星，就像我们的太阳系。观测到原始行星盘不只强烈地支持了行星系统应该普遍存在的理论，而且为研究行星形成过程的天文学家，提供了有关行星盘物理性质状态的宝贵资料。

结语

外太阳系行星形成的机制究竟是像我们的太阳系，抑或是由别种方式产生?是否有生命存在于其他的星球上?为了解决这些谜题，天文学家开始了一连串的探索计划。NASA目前打算进行两项极具野心的大计划：一项是名为太空干涉仪的实验，将侦测红外线的仪器架设在地球的大气层之上，来找寻太空中更多的其他行星；另一项是“天文生物学”计划，其目标是研究宇宙中的生命。对外太阳系行星的探索，为我们带来了解答这些谜题的希望。也许在不久的将来，科学家就能找出是否存在外星生命的证据，从而更进一步地了解地球生命的起源。