太阳系外行星系统的形成及未来探测计划

周济林 温文

①教授，南京大学天文与空间科学学院，南京 210093；②编辑，上海大学期刊社《自然杂志》编辑部，上海 200444

太阳系外行星系统的形成及未来探测计划

周济林①温文②

①教授，南京大学天文与空间科学学院，南京 210093；②编辑，上海大学期刊社《自然杂志》编辑部，上海 200444

太阳系外行星系统；形成机制；探测计划

太阳系外行星的探测与研究是目前国际上的前沿热门领域。近年来，随着一些关键探测技术的突破，以及空间望远镜的使用，相继发现了900多颗太阳系外行星。这些太阳系外行星系统的发现，对现有的行星形成和演化模型提出了新的挑战。首先介绍了两种目前比较公认的行星形成机制，并提出了系外行星探测的一些热点问题，指出未来太阳系外行星系统的探测计划重要目标之一是发现宜居行星。最后，简单介绍了将要实施或正在实施的一些国际国内太阳系外行星的探测计划。

2006国际天文学联合会大会(IAU)给行星下了定义：行星是围绕恒星运转的天体，其质量必须足够大，来克服固体应力以达到流体静力平衡的形状(近于球体)，而且必须清除轨道附近区域，公转轨道范围内不能有比它更大的天体。20世纪20年代以前，人类所知道的行星只有太阳系8大行星和降格为小行星的冥王星(图1)。其中水星、金星、地球、火星属于类地行星，木星、土星、天王星、海王星属于巨行星。

1992年Kuiper带天体的发现，证实了Edgeworth和Kuiper的太阳系形成理论：行星是经过星子碰撞粘在一起，然后慢慢长大形成行星的。太阳系外围轨道(海王星轨道)外部区域物质密度的小星子运动周期比较长，碰撞的概率比较小，因此应该存在着一些像冥王星这样长不大的小行星构成的盘，也称为残留盘。1995年瑞士日内瓦天文台的梅厄(Mayor)和奎洛兹(Queloz)，在太阳系恒星飞马51周围找到了一颗围绕着这颗恒星运行的太阳系外行星飞马51b[1]，从此拉开了对太阳系外行星研究的大幕(图2)。

1 太阳系外行星系统的形成和演化

目前已经确认的太阳系外行星有900多颗，那么这些行星是怎样形成的？茫茫宇宙中什么样的恒星才能形成类似太阳系的一个行星系统？这个系统中存在地球这样行星的概率是多少？这个“地球”恰好落在合适温度区域的概率是多少？上面存在生物的概率是多少？这些生物能和我们进行文明交流的概率又是多少？虽然这些问题现在还没有办法回答，但是我们可以从第一个问题开始，一步一步地向目标迈进。

1.1 太阳系外行星系统的多样性

通过对已经发现的恒星系统的比较发现，太阳系外行星系统不仅和我们的太阳系有很大的差别，它们之间也是千差万别的。2011年Kepler卫星观测到的Kepler-11行星系统就是一个与太阳系有着很大共同点的行星系统(图3)。该行星系统是由6颗行星围绕着一个质量约为太阳质量0.95倍的恒星组成的，它的行星轨道与太阳系行星一样是近共面的，但不同的是它们的轨道都比较靠近主星，几乎都在水星轨道以内[2]。

HD80606行星系统中的HD80606b行星偏心率出乎意料地大到约0.934[3](图4)，从动力学的角度来看，在一个行星系统中存在如此大的偏心率应该很快被主星潮汐耗散而使得轨道变得更圆，但是它为什么能保持如此大的偏心率？Kepler还曾经发现过一颗类地岩石行星Kepler-10b(图5)，它的质量为地球质量的3.3～5.7倍，半径为地球的1.4倍，但由于轨道距离主星非常近，因此表面温度比较高(超过1 300oC)且公转周期比较短(约为0.84天)，这种环境不适宜生命存在[4]。

图3 Kepler-11行星系统与太阳系轨道对照示意图(图片来自NASA网站)

图4 HD80606b行星的运行轨道简图

另外，HAT-P-7b行星的轨道与其主恒星赤道面的夹角近86°，并且非常靠近主星，这也与太阳系存在着极大的差异[5]。Gamma Cephei b 行星的质量约为木星质量的1.8倍，距离其主恒星2.6 AU，它的发现对现有的行星形成理论提出了挑战。主星Gamma Cephei是一组密近双星中的一个，现有的理论认为由于密近双星之间相互的扰动，小星子很难在2 AU处形成较大的行星[6]。

1.2 行星形成理论

目前主要是参考太阳系形成理论——恒星星云假说(图6)[7]，认为太阳系是由一团原星际云坍缩形成的。在星际云中比较密集的地方叫分子云，分子云中比较密集的地方称为分子云核，分子云核的范围一般在0.1～1 pc。如果密度大到一定程度，引力就会占主导作用，进行分子云内部的引力坍缩。在坍缩的过程中会经历几个阶段：开始为自由落体，随着密度增加里面的温度不断升高，从而产生辐射；由于存在角动量，随着坍缩角动量越来越大，所形成的原恒星的自转也就会加快，离心力则会随着增大；为了转移角动量，在形成恒星的过程中必然会同时在恒星自转赤道周围生成一个盘，这个盘的质量不会太大，对于太阳系来说为20～30个木星质量(一个木星质量约为太阳的一千分之一)；这个盘最后会演化成围绕恒星转的行星，也就是原行星盘。一般认为，行星就是在原恒星盘中孕育诞生的。然而，围绕类似木星的巨行星的形成，有两种比较流行的模型：引力不稳定模型和核吸积模型。

(1) 引力不稳定模型，比较适合那些远离主星大质量原行星盘中行星的形成。因为在大质量行星盘中，引力作用更加明显，由于Jeans不稳定性（小的密度扰动就能引起气体坍缩）将气体盘撕裂为几个小的团块，随后这些团块各自形成大质量的气态巨星[8]。其中由于引力作用迁移到离主星比较近的气态巨星，受到太阳风、潮汐或恒星热辐射等作用，行星外层气体慢慢逃出核的引力束缚，形成类地行星，另一部分则形成类木行星。也就是说在这种模型中，气态行星先形成，靠得近的气态巨行星若失去气体可形成固态行星。对于太阳系而言，由于该模型无法解释很多小行星和卫星等小天体的形成，因此一般认为在一些极端条件下才适用，例如HR 8799的非常远离主星的巨行星的形成。

(2) 核吸积模型，适用于质量比较小的原行星盘中行星的形成。因为在小质量行星盘中，能引起气体坍缩的扰动很难发生，因此1969年Safronov等人提出了核吸积模型(图7)。经过不断的完善，该模型已经能比较好地解释行星形成过程。原行星气体盘中由于尘埃颗粒物的沉积、凝聚，会形成一个尘埃盘。以太阳系为例，这些尘埃最初的直径只有0.3 mm左右，尘埃之间因为无弹性碰撞和微粒表面的范德瓦尔斯力的作用粘合在一起，形成较大的微粒并最终成长为小星子。因为气体的运动速度是亚开普勒速度，而星子的运动是开普勒速度，所以星子的速度大于气体盘的速度。这样星子在气体盘中就进行阻尼运动，消耗其轨道角动量，在星子向恒星飘落的同时也向赤道中心平面沉降。量级估计表明星子沉降到中心平面的时间尺度要短于它们飘向恒星的时标，因此星子会沉积到盘的中心平面形成一个几十千米的薄盘。由于在薄盘中星子面密度的增加，彼此碰撞几率也就增大，星子也就不断地长大。这便是星子从微米级成长为厘米级的过程，而且在实验上也得到了证实。

图7 核吸积模型中行星的形成过程示意图

接下来如何从厘米级生长到米级比较关键。可以想象极小的灰尘比较容易粘合在一起(比如烟囱上的灰尘)，而较大的颗粒(如沙子)却很难粘合在一起。对此阶段小星子的成长主要有两种假设：第一种认为，继续前一阶段的生长模式，不断有小微粒附着在厘米级小星子表面，使小星子质量增加，直到达米级大小；另一种假设认为，这个阶段小星子的生长主要是依据引力不稳定性模型，只要存在一些小的扰动，使得局部星子密度等达到引力不稳定性条件即可。但是这两种假设都存在一定的缺陷，表面粘性将小星子黏在一起的效率有限，而相互之间的引力又不能完全使得彼此束缚，因此这个阶段的成长机制是行星形成模型确立的关键，称为星子形成的米级障碍。一旦到了千米级以上，星子之间就有了足够大的引力，两个星子碰到一起就会因为引力的作用并合成一个大的星子，可以继续长大。长到足够大的时候可以形成行星胚胎，外面轨道的胚胎会大一些，里面轨道的胚胎会小一些。大到一定地步就可以吸积气体了，因为其逃逸速度大于气体的分层速度，气体一旦进来就跑不出去。随着引力的不断增大就不断的有气体被吸引到胚胎周围，最终形成像木星这样大的行星。比较大的行星只能在外围形成，如果在里面形成这么大的行星就会和其他行星相互作用，行星内部重新组合重构，形成像地球这样以硅酸盐为主要成分的类地行星。

另外，核吸积模型是有观测背景的。科学家们把一些陨石刨开，发现陨石中有些球粒结构，大约有几微米的量级，有些还有两个小球粒碰在一起，这充分说明核吸积的过程是能够发生的。该模型可以比较完美地解释太阳系和一些系外行星系统的形成，但是仍然存在一些关键性的困难问题，例如前面提到的米级障碍，以及形成类木巨行星的时间尺度过长等。

2 目前系外行星探测的国际热点问题

结合系外行星探测的广泛开展, 系外行星统计和形成的理论研究也非常热[9]。一些热点问题集中在以下几点。

(1) 不同类型恒星的行星拥有率研究。人们很想知道到底哪些恒星具有行星系统，尤其是类似太阳系的系统。由于受不同方法的观测选择效应，目前的结论还有很大的不确定性。地面和Kepler空间卫星的观测统计表明，10%左右的类太阳恒星在3 AU内拥有类似木星的巨行星，而20%～30%的类太阳恒星拥有地球质量以上的中小行星[10]。此外，随着系外行星样本的迅速增大，研究不同类型宿主恒星特性(质量、自转、光谱型、年龄等)与行星系统的关系也成为了研究行星形成的一个新的热点。

(2) 系外行星系统的轨道构型及其形成。目前发现的一些行星系统与我们的太阳系差别还是非常大的。例如，一些非常靠近主星的巨行星(称为热木星)，其公转轨道面与恒星自转不在一个平面，有的热木星的公转方向甚至与恒星自转方向相反，我们称为逆行[11]。根据行星形成的星云假说，恒星的赤道面与其周围的行星系统轨道面应该是基本共面的。现在认为这种逆行轨道主要是行星形成后期行星之间动力学相互作用引起的[9]，因此，研究系外行星系统的轨道动力学构型对理解这些系统的形成有非常重要的意义。

(3) 系外行星的内部结构组成及大气成分。近年来空间卫星以及地面大型望远镜对行星大气特征谱线的观测为行星的组成提供了重要的信息。行星的密度组成及其分布的研究对了解行星形成早期原行星盘的组成和演化、行星－恒星之间的潮汐演化，以及行星大气蒸发[12]提供了重要的线索。目前有密度估计的行星候选天体已经超过200个，其分布特征呈多样性，密度差异跨越两个量级，且即使同一系统相邻两个行星的密度也可能有一个量级以上的差别[13]。这些样本的统计还表明，行星大小在1.5～2.0倍地球半径处为界成双峰分布[14]。半径小的行星可能以纯岩石类行星为主，而半径大的行星一般由一个岩石类的核以及一个气体包层构成。

(4) 类地行星、宜居行星的搜寻和刻画[15]。寻找地球以外宜居行星乃至地外文明一直是人类的梦想，也是推动人类探测太阳系外行星的一大动力[16]。宜居行星的大量发现有助于估算太阳系附近宜居行星的拥有率，它们的结构组成、大气信息以及生命存在证据。目前Kepler已经探测到100个左右宜居带行星的候选天体，由于其主星多少是比较暗的，进一步的确认比较困难。此外关于如何定义和刻画宜居行星也成为了这方面的研究热点[17]，且有逐渐向多个学科(如地质、生物等)综合发展的趋势。

3 未来太阳系外行星的探测计划

鉴于系外行星探测成为国际天文学的前沿热点领域之一，世界各国纷纷开展了地面和空间的系外行星探测大型项目。未来几年国外已经立项的空间项目中，专门用于系外行星探测的就有美国的TESS(预计2017年升空)、欧洲的PLATO(预计2020后上天)等。此外还有一些通用的望远镜,其中有很大一部分的科学目标用于系外行星探测或者证认。中国由南京大学、中国科学院紫金山天文台、中国科学院南京天文光学研究所、中国科学院国家天文台、北京师范大学等单位联合正在推动一个利用掩食方法搜寻系外宜居行星的计划，称为NEarth，预计可以搜寻到超过1 000颗宜居类地行星，且主星都是亮星。为了与本期杂志中其他论文的介绍不冲突，本文仅简单介绍以下一些项目。

3.1 詹姆斯·韦伯空间望远镜(James Webb Space Telescope，JWST)计划

此计划是欧洲空间局(ESA)和美国国家航空航天局(NASA)的共用计划，制造的红外太空望远镜(图8)计划于2014年发射，并放置于太阳─地球的第二拉格朗日点。望远镜的地面控制和协调机构是位于约翰霍普金斯大学的空间望远镜研究所(STScI)。计划中的詹姆斯韦伯太空望远镜的质量为6.2 t，约为哈勃空间望远镜(11 t)的一半。主反射镜由铍制成，口径达到6.5 m，面积为哈勃太空望远镜的5倍以上。装载有中红外仪器、近红外相机、近红外光谱仪、精密制导传感器，可调谐滤波器成像仪等设备。

詹姆斯·韦伯太空望远镜的主要工作波段为近红外和中红外，其主要科学目标是：发现宇宙的第一曙光；寻找行星和原行星系统诞生的证据；证认宜居行星候选者等。

3.2 GAIA卫星计划

2013年12月19日，欧洲空间局的GAIA卫星(图9)从南美洲库鲁航天中心发射升空。GAIA卫星的任务是以前所未有的精度对银河系内数以十亿计的恒星进行观测，测量它们的位置、距离和运动。其观测的效率将比之前发射的依巴谷卫星(Hipparcos)高出数百万倍。根据其精度，估计可以发现一批巨行星。由于GAIA使用的是天体测量方法，适宜探测离主星几个天文单位的系外行星，因此这些行星的发现，与之前的视向速度方法和掩食方法探测到的系统是互补的。

3.3 类地行星搜寻者(Terrestrial Planet Finder，TPF)计划

该计划是NASA提出的太空探测计划，计划建立一个太空望远镜系统，以直接成像法来专门搜寻太阳系外行星中的类地行星。该计划预计使用两组太空望远镜系统，分别是红外线天文干涉仪TPF-I(图10左)和可见光日冕仪TPF-C(图10右)。目前由于预算问题，该项目被搁置。

图9 GAIA的艺术图(来自ESA网站)

3.4 极端巨大望远镜(Extremely Large Telescope，ELT)计划

该计划由大麦哲伦望远镜(Giant Magellan Telescope，GMT)、欧洲极大望远镜(European Extremely Large Telescope，E-ELT)和30 m望远镜(Thirty Meter Telescope，TMT)三部分组成(图11)，预计在2018年完工启用。

图10 红外线天文干涉仪TPF-I(左)和可见光日冕仪TPF-C(右)的艺术图(来自NASA网站)

4 中国南极天文台的系外行星探测计划

正在建设的南极天文台将系外行星探测作为其重要的科学目标之一。南极天文台位于中国第三座南极科学考察站，也是第一座内陆考察站——昆仑站的附近，具体方位为南纬80°25′01″，东经77°06′58″，海拔4 087 m，位于南极内陆冰盖最高点冰穹A(DOME A)西南约7.3 km，最终耗资可能超过10亿元。目前已完成第一期计划，即由南京天文光学技术研究所、紫金山天文台和中国国家天文台联合研制的自动天文观测望远镜“中国之星(CSTAR)”、南极高原国际天文观测站(PLATO)、30 m高塔的一个自动气象站等。

第二期将安装3台有效观测口径50 cm施密特望远镜AST3，由于三台望远镜选用的滤光片不同，可以在不同的波段同时进行观测。主要是搜寻银河系外的超新星爆发事件，努力寻找一些亮度瞬间变化的天体(有可能变化幅度不会很大)，例如微引力透镜效应、系外行星系统等。此外，还将搜寻各类变源，包括活动星系核、银河系内的各类变星等。通过南极巡天望远镜的观测，可帮助实现研究银河系结构、近邻星系的距离等科学目标。目前已经安装了一台，其余两台也会在五年内安装完成(图12)。

图12 施密特望远镜AST3，左上为内部结构图(来自Wikipedia网站)

第三期，中国还将在南极昆仑站安装口径更大的昆仑暗宇宙巡天望远镜(KDUST)。该望远镜为2.5 m大视场高分辨光学/红外望远镜，将在国际上首次同时实现大视场与高分辨率的观测。与哈勃望远镜相比，KDUST可以在83 h内获得与哈勃极深场同样的深度。科学目标为：弱引力透镜效应，星系和黑洞的多波段观测，高红移超新星、伽玛爆研究，外行星搜寻和研究等。

图13 昆仑暗宇宙巡天望远镜效果图(来自Wikipedia网站)

太阳系外行星探测与理论研究是目前国际天文学的重要前沿领域，中国的太阳系外行星探测与理论研究迎来的重大机遇。随着探测技术的不断改进，不久之后还会有更多的太阳系外行星进入视野，我们也将有更多的机会寻找到和地球类似的宜居行星。

(2014年3月21日收稿)

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Formation of exoplanet systems and future international planet hunting programs

ZHOU Ji-lin①，WEN Wen②
①Professor, School of Astronomy and Space Science, Nanjing University, Nanjing 210093, China；② Editor, Office of Chinese Journal of Nature, Periodicals Agency of Shanghai University, Shanghai 200444, China

The detection of exoplanets becomes a hot research. With some breakthrough in detection and the advance of the space exploring, more than 900 exoplanets have recently been discovered with multiple techniques. Many characteristics quite different with the solar system are found in exoplanets and their orbital configurations. These new phenomena are testing out the traditional planetary formation model. The gravitational instability model and the core accretion model of planetary formation are briefly introduced. At the end of the paper, author introduced a few future exoplanet hunting program.

exoplanet system, formation model, hunting program

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.02.004

(编辑：温文)