行星形成也许不是我们设想的那样

丹尼尔·克莱里++晨飞

20年前，天文学家首次发现围绕一颗正常恒星旋转的系外行星，给人们带来了欣喜和困惑。这颗被命名为飞马座51b的行星体量是木星的一半，但它的轨道周期只有4天，令人难以置信地接近恒星，比水星88天的轨道周期小了太多。研究行星形成的理论物理学家无法解释一颗如此巨大的行星如何能在一颗新生的恒星周围如此狭窄的范围里生成。如果不是因为搜寻系外行星时很快就找到了更多的热木星，它很可能被看作一颗反常的星球。同时，被搜寻到的还有其他奇异的星

球：具有被拉长和高度倾斜轨道的行星，甚至绕恒星反向公转的行星——公转方向与恒星自转方向相反。

随着2009年美国航空航天局开普勒空间望远镜升空，搜寻行星的进程加快了，它发现的2500个太阳系外的天体系统为系外行星研究增加了统计学重量，同时也带来了更多困惑。开普勒空间望远镜发现银河系内最常见的行星体量介于地球和海王星之间，这类行星被称为“超级地球”，在内太阳系没有这种行星存在，同时也被认为是不可能在内太阳系形成的。

飞马座51b

现在，地面的天文望远镜可以直接收集来自系外行星的光线，而不是像开普勒空间望远镜那样，间接检测它们的存在。这些地面天文望远镜搜集到的数据同样显示了异常行星的存在。它们发现了体量为木星数倍的巨型行星，以海王星与太阳距离的2倍围绕它们的恒星运转——这是另一个理论学家认为的不可能生成大型行星的区域。其他恒星系统跟我们有序的太阳系完全不同，这给那些用于解释行星形成的、我们耳熟能详的理论带来了挑战。

斯坦福大学物理学家布鲁斯·麦金托什说：“从第一天开始，理论无法和现实很好契合这一点就很明显，从来没有哪一个理论能跟得上观测。”

理论学家正在试着迎头赶上——寻找合理情形来解释之前被认为不可能存在的行星，如何在不可能生成行星的区域内生成。他们设想，行星在比之前认识到的更为机动和混乱的环境中形成，然后从宽轨道飘移到窄轨道上，或者受其他天体碰撞而反弹到拉长或者失衡的轨道上。但是观测者发现的越来越多的独特行星意味着每个新的理论模型都只是暂时的。德国海德堡马克斯·普朗克研究所的天体物理学家托马斯·亨宁说：“每天都能发现新东西，这种情况就像是淘金。”

恒星和它的行星系统形成的传统模型可以追溯到18世纪，当时的科学家提出缓慢旋转的尘埃和气体云可以在自身引力下坍缩。大多数物质形成球状，当内核密度足够大、温度足够高时会被点燃形成恒星。在引力和角动量的作用下，剩余的物质在原恒星周围形成扁平的吸积盘。尘埃是这个吸积盘形成一系列行星的关键。这些仅占据吸积盘质量很小一部分的尘埃由微小的铁颗粒和其他固体组成。在随着吸积盘旋转的过程中，这些颗粒偶尔会发生碰撞并由电磁力粘连在一起。在数百万年的进程中，尘埃堆积成颗粒，颗粒形成砾石，砾石生成岩石，最终产生数千米宽的微行星。

此时引力开始起到主要作用，拉近其他微行星，吸入尘埃和气体，直到行星大小的天体成形。此时吸积盘内侧大多数气体已经被清理干净，不是被恒星吞噬就是被恒星风吹散了。气体的缺乏意味着靠近恒星的行星大部分是岩石质的，具有很薄的大气层。

这一生长过程被称为核吸积，在吸积盘外侧温度足够低、能够使水冻结的区域进行得更快。这一“雪线”之外的冰是对尘埃的补充，可使原行星更快固定。它们可以形成5倍到10倍于地球质量的固体核。因为这一过程足够快，吸积盘能够保持富含气体的状态，核可以吸引浓厚的大气层，所以可以形成像木星这样巨大的气体行星。早些时候到达木星的“朱诺”航天器的主要任务之一，就是检查这颗行星是不是确实具有一个巨大的核。

这种情形自然会产生一个类似太阳系的恒星系统：距离恒星较近的范围内产生小型岩石质行星，“雪线”以外产生与木星类似的巨型气体行星，距离恒星越远，这些巨型行星的体积越小，因为它们绕轨道运转得很慢，吸积物质所花费的时间更长。所有行星都基本保持在它们形成时的位置上，在同一平面上以圆形轨道公转，漂亮并且整洁。

但是热木星的发现意味着这一理论有着严重的错误。我们原来认为，在距离恒星极近的轨道上运行的行星，公转周期只有若干天，这限制了它形成过程中能够吸积的物质数量。气体巨星在这个位置上形成看上去令人难以置信。所以有人认为它们是在距离恒星更远的外侧形成之后迁移进来的。

理论学家提出了两种可能的机制来解释行星位置的重排。第一个机制叫作迁移：在巨型行星形成之后，吸积盘内有足够的剩余物质。行星引力让吸积盘产生变形，在局部产生密度较高的区域，这些区域反过来对行星产生引力牵拉，使得行星逐渐向离恒星更近的内部飘移。

这一想法获得了证据支持。相邻的行星经常处于被称为“轨道共振”的稳定引力相互作用关系中。这一现象产生的条件是它们的轨道长度具有小的整数比例关系。拿冥王星来说，它沿轨道绕太阳公转两圈，等于海王星绕太阳公转三圈。这不太可能是行星生成时就具有的特点，因此它们应该是迁移到了如今的地点，被额外的稳定性锁定在了这一轨道上。太阳系历史早期的迁移可以解释其他异常现象，例如火星为什么会比地球小，以及稀疏和被瓦解的小行星带。为了解释这些现象，理论学家援引了被称为“大策略”的运动过程，即木星起初在距离太阳更近的位置形成，向内飘移到接近地球轨道的位置上，然后再向外飘移到今天的轨道上。

ALMA

一些模型学者认为这种情形不必要地复杂了。“我确实相信奥卡姆剃刀理论。”加州大学圣克鲁兹分校的天文学家格里戈·劳克林说。劳克林提出，行星更有可能是在它们今天的位置上形成并稳定下来的。他说，如果原行星盘中含有更多物质，巨型行星就有可能在离恒星更近的位置生成。行星仍然可能产生一些运动——例如足以解释轨道共振的移动——但是“这是最后的微调， 而不是像传送带那样的大型运动”。

但其他人认为，在接近中心的位置根本不可能有足够的物质来形成飞马座51b，以及其他甚至更靠近中心的巨型行星。“它们不可能在原位形成。”位于剑桥市麻省理工学院的物理学家约书亚·维恩直白地表示。另外，那一部分数量可观的在拉长和倾斜的轨道上运行甚至反向运行的行星，似乎意味着某种行星重排。

为了解释这些异常天体，理论学家提出了引力混战的观点，而不是平静的迁移。一个富含物质的吸积盘能够产生很多相互靠近的行星，而互相之间的引力扭打，会把它们送入恒星、送上奇怪的轨道，甚至送出整个系统。另一个潜在的破坏者是位于拉长轨道上的一颗伴星。大多数时间里，它距离太远，不会产生任何影响，但偶尔它会内转，制造混乱。或者，如果这个系统的恒星是一个紧密联系的星团中的一员，一颗相邻的恒星就可能飘移到太近的距离，造成严重破坏。维恩说：“破坏一个系统的方式是很多的。”

开普勒空间望远镜令人惊讶地发现，类似太阳的恒星里，有60%都具有一颗超级地球，解释这一点需要一套全新的理论。大多数超级地球被认为主要由固体岩石和金属以及一定量的气体组成，比地球处在更窄的轨道上，一颗恒星常常拥有若干颗超级地球。例如，开普勒-80系统具有4颗超级地球，它们的轨道周期全部是9天甚至更短。传统理论认为，在雪线以内，核吸积过程过于缓慢，不会产生如此大的行星。超级地球很少被发现处在共振轨道上，这表明它们没有发生迁移，而是在当前的位置上产生的。

研究人员正在寻找解释这一问题的方法。一种想法是，它们通过被称为砾石吸积的过程完成了加速吸积。在富含物质的吸积盘中，气体对砾石大小的物体产生拖曳，这总体上来讲会让它们速度减缓，导致它们向靠近恒星的方向飘移。如果它们在途中遇到微行星，缓慢的速度意味着它们可以更加容易地被微行星捕获，推进吸积。但是更加快速的吸积和富含气体的吸积盘有它们自己的问题：超级地球一旦超过特定的体量，应该会形成一个浓厚的大气层。新泽西普林斯顿大学

高等研究所的天体物理学家罗曼·拉菲科夫问：“怎么才能防止它们变成气体巨星？”

尤金·蒋，加州大学伯克利分校的一位天文学家，说，只要吸积盘富含固体并且缺乏气体，就没有必要加速吸积。如果吸积盘内侧的密度比形成太阳系的吸积盘高10倍，就可以轻易地产生一个或者多个超级地球。蒋认为，如果超级地球在吸积盘末期形成，此时气体已经消散殆尽，就不会收集过多的残留气体。

阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）的一些早期观测支持这一假说，该国际设施位于智利北部，已经基本完工。ALMA可以绘制吸积盘中温暖的尘埃和砾石放射的电磁波谱。它目前已经研究的一些吸积盘看上去相当庞大。但是这些观测不是确凿证据，因为ALMA还没有完全运转，只能看见吸积盘的外侧部分，而不是超级地球形成的内侧。“靠近内侧才是难点。”蒋说。当

系外行星HR8799b是一颗超级木星（想象中的卫星视角），饶其恒星公转的轨道长达460年。

ALMA的66根天线全部开始工作的时候，它就可能做到这一点。

蒋对开普勒空间望远镜的另一项发现也有一个解释：超级膨胀体，一种罕见并且同样带来疑问的行星，比超级地球的质量更小，但是看上去非常巨大，拥有达到其质量20%的膨胀大气层。这种行星被认为是在富含气体的吸积盘内形成的。在吸积盘内侧，温暖的气体会对抗行星微弱的引力，因此吸积盘外侧寒冷并且稠密的气体更有可能是这种行星的发源地。蒋援引迁移理论来解释它们靠近内侧的轨道——这一想法有证据支持，因为超级膨胀体一般都被锁定在共振轨道上。

系外行星研究领域的大多数注意力目前都集中在恒星系统的内侧部分，大约相当于木星轨道的距离内部，原因很简单，这是目前的检测手段能探测到的区域。两种主要方法——测量恒星由于绕行的行星所产生的引力牵拉而导致的摆动，以及测量恒星由于行星从前方经过而造成的周期性变暗——都更倾向于检测到近处轨道上的大型行星。获得行星本身的图像是相当困难的，因为它们微弱的光线都被恒星发出的耀眼光芒淹没了，后者的亮度可以达到前者的10亿倍。

但是通过让世界上最大的天文望远镜超负荷运转，天文学家直接看见了一小部分行星。在过去几年当中，专门设计用来对系外行星成像的两台新型仪器加入了这一搜寻。欧洲的高分辨率光谱偏振法系外行星搜索仪（SPHERE）和美国出资支持的双子座行星成像仪（GPI）被连接到智利的巨型天文望远镜上，并且装备了精密的日冕仪来阻挡恒星的光线。不出所料，离恒星距离较远的行星是最容易被观测到的对象。

直接成像最早观测到的是围绕在恒星HR8799周围的行星系统。在这个系统中，位于土星轨道距离之外直至海王星距离2倍的范围内，有4颗行星。最令人惊讶的是，这4颗行星都十分巨大， 是木星质量的5倍多。根据理论，如此遥远的轨道上的行星运行得十分缓慢，它们应该是以极其缓慢的速度生长，并且在吸积盘消散之前就达到了远小于木星的质量极限。然而这些行星完美的圆形轨道表明，它们不是从更靠近恒星的地方被抛到这些轨道上的。

这些遥远的巨型行星为标准理论最激进的挑战提供了支持，也就是说，这些行星不是通过核吸积形成的，而是通过一种叫作引力不稳定性的过程形成的。这一过程需要一个富含气体的原行星盘在自身引力下碎裂成团块。这些气体团块会随着时间变化直接坍缩成巨型行星，而不用首先形成一个固体的核。模型显示，这种机制只有在特定的情况下才会起作用：气体必须是冷的，不能旋转过快，收缩的气体必须能够有效摆脱热量。这一机制能否解释HR8799的形成？拉菲科夫说，只有外侧的两颗行星足够遥远和寒冷时才可能，“这仍然是一个让人十分困惑的系统”。

在过去，射电望远镜对原行星盘的观测为引力不稳定性提供了证据支持。这些望远镜对冷气体敏感，它们看见了散布着混乱、不对称团块的吸积盘。但是最近ALMA拍摄的图像展示了一幅不同的图景。ALMA对吸积盘中段平面尘埃颗粒放射出的短波敏感，它在2014年对金牛座HL拍摄的图

像和2016年对长蛇座TW拍摄的图像，显示了平滑、对称的吸积盘，在比海王星轨道更远的地方间有个环形暗纹缺口。“这是一个巨大的意外。这个吸积盘不是乱七八糟的，它具有平整、规则、漂亮的结构。”拉菲科夫说。这些图像意味着行星清理了其轨道上的物质，通过核吸积作用生长，这对引力不稳定理论的支持者来说是个打击。

GPI和SPHERE还会在行星系统的更远边缘做出什么令人惊异的发现，目前判断还为时尚早。偏远地带和接近中心处（热木星和超级地球所在的位置）之间的区域仍然无法探测到：对直接成像仪器来说，它离恒星太近;对依赖恒星摆动和周期性变暗间接测量的仪器来说，它离恒星太远。这使得理论学家难以对系外行星系统得出一个完整的描述。“我们的理论基于碎片化和不完整的观测。”劳克林说，“目前，可能所有的人都是错的。”

天文学家不用等太久就能获得更好的数据了。2017年，美国航空航天局会发射系外凌日行星调查卫星（TESS），2018年欧空局计划发射系外行星描述卫星（CHEOPS）。与开普勒空间望远镜不同，“开普勒”对大量恒星进行了缺少细节的调查，汇编成系外行星的普查，而TESS和CHEOPS的探测会集中在离地球近的类太阳恒星上，让研究者有机会探索吸积盘中段的未知区域。由于目

标恒星在地球附近，地面天文望远镜应该能够对它们的行星进行质量测量，使研究者能够计算行星密度，从而弄清这些行星是岩石质的还是气体的。

计划于2018年发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜会进一步对经过系外行星大气层的光线进行分析，以确定其化学组成。“化学组成是行星形成的重要线索。”麦金托什说。例如，在超级地球的大气层中找到较重的元素，可能说明为了足够快地形成行星核，吸积盘中需要富含这种元素。下个10年，美国航空航天局的大视场红外巡天望远镜和欧空局的行星凌日与振荡观测站这样的航

天器，将会和镜面直径达30米的新一代巨型地面太空望远镜一起，加入对系外行星的搜寻。

鉴于以往的经验，模型学者需要忙个不停了。拉菲科夫说：“自然比我们的理论要聪明得多。”