"\u003Cdiv\u003E\u003Ch1\u003E禁地行星：了解曾经被认为不可能的外星世界\u003C\u002Fh1\u003E\u003Cdiv class=\"pgc-img\"\u003E\u003Cimg src=\"http:\u002F\u002Fp3.pstatp.com\u002Flarge\u002Fpgc-image\u002F5e4c5b3529dc4c8abee14e9d19586e37\" img_width=\"1280\" img_height=\"720\" alt=\"禁地行星：了解曾经被认为不可能的外星世界\" inline=\"0\"\u003E\u003Cp class=\"pgc-img-caption\"\u003EHR 8799 B\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E\u003Cp\u003E外行星HR 8799B是一颗超级木星（从推测中的卫星上看到），绕恒星运行需要460年\u002FNASA\u002FESA\u002FG.BACON（STSCI）\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E20年前，当天文学家在一颗正常恒星周围发现了第一颗外行星时，人们感到了喜悦和困惑。这颗行星，51PegasiB，质量是木星的一半，但是它的4天轨道离恒星很近，远小于水星的88天轨道。研究行星形成的理论家们看不到一颗如此大的行星在新生恒星周围如此狭窄的范围内生长的方法。这可能是个怪胎，但很快，在行星搜索中出现了更多的“热木星”，它们与其他一些奇怪的东西结合在一起：处于细长和高度倾斜轨道的行星，甚至是“向后”绕恒星运行的行星——与恒星的旋转相反。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cdiv class=\"pgc-img\"\u003E\u003Cimg src=\"http:\u002F\u002Fp1.pstatp.com\u002Flarge\u002Fpgc-image\u002F74e9a160300541e5904c7f36a1979483\" img_width=\"2560\" img_height=\"1440\" alt=\"禁地行星：了解曾经被认为不可能的外星世界\" inline=\"0\"\u003E\u003Cp class=\"pgc-img-caption\"\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E\u003Cp\u003E随着2009年美国国家航空航天局开普勒航天器的发射，对行星的追捕加速了，它发现的2500个世界为外行星的研究增加了统计上的分量，但也更加混乱。开普勒发现，银河系中最常见的行星类型是地球和海王星之间的大小——一个“超级地球”，在我们的太阳系中没有平行的行星，被认为几乎不可能形成。现在，地面望远镜直接从系外行星收集光线，而不是像开普勒望远镜那样间接探测到它们的存在，而且它们也发现了异常现象。他们发现了质量相当于木星几倍的巨行星，其围绕恒星运行的距离是海王星与太阳距离的两倍多，这是另一个理论学家认为不可能形成大行星的地区。其他行星系统与我们有序的太阳系完全不同，它挑战了为解释这一现象而发展的陈旧理论。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cblockquote\u003E\u003Cp\u003E\u003Cstrong\u003E\u003Cem\u003E大自然比我们的理论更聪明。\u003C\u002Fem\u003E\u003C\u002Fstrong\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E\u003Cem\u003E新泽西普林斯顿高级研究所天体物理学家Roman Rafikov\u003C\u002Fem\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fblockquote\u003E\u003Cp\u003E州帕洛阿尔托斯坦福大学的物理学家布鲁斯·麦金托什说：“从第一天开始，事情就很明显不太适合。“从未有过理论能够赶上观察结果的时刻。”\u003C\u002Fp\u003E\u003Cdiv class=\"pgc-img\"\u003E\u003Cimg src=\"http:\u002F\u002Fp3.pstatp.com\u002Flarge\u002Fpgc-image\u002Fb6ea448c49c347cd8e1481c8ab67b13b\" img_width=\"350\" img_height=\"242\" alt=\"禁地行星：了解曾经被认为不可能的外星世界\" inline=\"0\"\u003E\u003Cp class=\"pgc-img-caption\"\u003E太阳系前进动画图\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E\u003Cdiv class=\"pgc-img\"\u003E\u003Cimg src=\"http:\u002F\u002Fp3.pstatp.com\u002Flarge\u002Fpgc-image\u002Fe88d65e0a5b042979a5942cb304fbee4\" img_width=\"800\" img_height=\"500\" alt=\"禁地行星：了解曾经被认为不可能的外星世界\" inline=\"0\"\u003E\u003Cp class=\"pgc-img-caption\"\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E\u003Cdiv class=\"pgc-img\"\u003E\u003Cimg src=\"http:\u002F\u002Fp1.pstatp.com\u002Flarge\u002Fpgc-image\u002Fde07665e31c34b44abdbd909e121be27\" img_width=\"580\" img_height=\"325\" alt=\"禁地行星：了解曾经被认为不可能的外星世界\" inline=\"0\"\u003E\u003Cp class=\"pgc-img-caption\"\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E\u003Cdiv class=\"pgc-img\"\u003E\u003Cimg src=\"http:\u002F\u002Fp1.pstatp.com\u002Flarge\u002Fpgc-image\u002Fbe0a3a659ccd4c2ca68e1c29535c11c6\" img_width=\"1400\" img_height=\"788\" alt=\"禁地行星：了解曾经被认为不可能的外星世界\" inline=\"0\"\u003E\u003Cp class=\"pgc-img-caption\"\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E\u003Cdiv class=\"pgc-img\"\u003E\u003Cimg src=\"http:\u002F\u002Fp1.pstatp.com\u002Flarge\u002Fpgc-image\u002F10da0764f0de4da2963a0764b952f377\" img_width=\"5400\" img_height=\"2400\" alt=\"禁地行星：了解曾经被认为不可能的外星世界\" inline=\"0\"\u003E\u003Cp class=\"pgc-img-caption\"\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E\u003Cdiv class=\"pgc-img\"\u003E\u003Cimg src=\"http:\u002F\u002Fp9.pstatp.com\u002Flarge\u002Fpgc-image\u002F47f916e0f6fd414788e740b2c693faf5\" img_width=\"1280\" img_height=\"720\" alt=\"禁地行星：了解曾经被认为不可能的外星世界\" inline=\"0\"\u003E\u003Cp class=\"pgc-img-caption\"\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E\u003Cp\u003E理论家们正试图在一些一度被认为是不受限制的地方，找到发展以前被禁止的行星的设想。他们正在设想，行星是如何在比以往任何时候都更具流动性和混乱的环境中形成的，在这种环境中，新生的行星从宽到窄的轨道漂移，或被其他行星或经过的恒星弹入细长或偏离轨道的轨道。但是观察者正在统计的不断扩大的外来行星动物园意味着每一种新模式都是临时的。德国海德堡马克斯普朗克天文学研究所的天体物理学家托马斯·汉宁说：“你每天都能发现新的东西。”“这是一个淘金热的局面。”\u003C\u002Fp\u003E\u003Cdiv class=\"pgc-img\"\u003E\u003Cimg src=\"http:\u002F\u002Fp3.pstatp.com\u002Flarge\u002Fpgc-image\u002F3a25092f9fd14af2a92d7be0dc2a12e2\" img_width=\"700\" img_height=\"638\" alt=\"禁地行星：了解曾经被认为不可能的外星世界\" inline=\"0\"\u003E\u003Cp class=\"pgc-img-caption\"\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E\u003Cp\u003E（图形）J·Y\u002F\u003Cem\u003E科学\u003C\u002Fem\u003E: (DATA) EXOPLANETS.EU\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E恒星及其行星形成的传统模式可以追溯到18世纪，当时科学家提出一个缓慢旋转的尘埃和气体云可能在自身重力作用下崩塌。大多数物质形成一个球，当它的核心变得足够致密和热时，球就会点燃成恒星。重力和角动量把原恒星周围的剩余物质聚集成一个扁平的圆盘。尘埃是把这个圆盘转变成一组行星的关键。尘埃占圆盘质量的一小部分，是由铁和其他固体微粒组成的。当它们在旋转盘中旋转时，斑点偶尔会被电磁力碰撞并粘在一起。在几百万年的时间里，尘埃逐渐堆积成颗粒、鹅卵石、巨石，最终形成了一公里宽的小行星。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E在那一点上，重力接管，拉入其他星体，用真空吸尘器吸走尘埃和气体，直到行星大小的星体成形。当这个过程发生在盘的内部时，它的大部分气体已经被剥离，要么被恒星吞噬，要么被恒星风吹走。气体的缺乏意味着内行星大部分仍然是岩石状的，大气层很薄。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E这一增长过程，被称为核心吸积，在磁盘的外部进行得更快，在那里它是足够冷的水冻结。越过这条“雪线”的冰补充了尘埃，使原行星能够更快地巩固。它们以足够快的速度形成了一个固体核心，其质量是地球的5到10倍，因此圆盘仍然富含气体，核心可以吸入一层厚厚的大气层，形成一个像木星一样的气体巨行星。（本月早些时候抵达木星的美国航天局朱诺号宇宙飞船的目标之一，就是要看看这颗行星是否真的有一个巨大的核心。）\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E这种情况自然会产生一个与我们类似的行星系统：小而多岩石的行星，其大气层很薄，靠近恒星，一个类似木星的气体巨行星，刚好在雪线之外，其他的巨行星由于在其内部移动的更慢而在更远的距离上逐渐变小。绕轨道运行，需要更长的时间来收集材料。所有行星都大致保持在它们形成的位置，在同一平面上呈圆形轨道运行。又漂亮又整洁。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E但热木星的发现表明这一理论有严重的问题。一个行星的轨道以天为单位，绕着恒星运行的距离非常短，这限制了它形成时能吸收的物质的数量。一个巨大的气体可能在这样的位置形成，这似乎是不可思议的。不可避免的结论是，它一定是形成得更远了，而且已经搬进来了。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E理论家们提出了两种可能的改变行星甲板结构的机制。第一种，即所谓的迁移，要求在这颗巨大的行星形成之后，有足够的物质留在这个盘中。行星的引力使圆盘变形，形成更高密度的区域，反过来，这些区域在行星上施加引力“阻力”，使其逐渐向内漂移，朝向恒星。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E有证据支持这一想法。邻近的行星通常以一种稳定的引力关系结束，称为轨道共振。当它们的轨道长度是一个小整数的比率时，就会发生这种情况。例如，冥王星每绕海王星三圈绕太阳运行两次。它们不太可能是这样形成的，所以它们一定是漂移到了那个位置，在那里它们被额外的稳定性所锁定。在我们太阳系历史的早期，迁移可能是造成其他奇怪现象的原因，包括火星的小规模和稀少而破碎的小行星带。为了解释这一点，理论家们采用了一种叫做“大钉”的方法，即木星最初形成于离太阳较近的地方，几乎向内漂移到地球的轨道上，然后又向外漂移到目前的位置。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E一些建模者发现这样的场景不必要地复杂。“我确实相信奥卡姆的剃刀，”加州大学圣克鲁斯分校的天文学家格雷格·劳克林说。劳克林认为行星更有可能在适当的位置形成并保持原样。他说，如果原行星盘中的物质比以前想象的要多的多，那么大行星就有可能在其恒星附近形成。例如，行星的某些运动可能仍然足以解释共振，但“这是最后的细微调整，而不是主要的传送带，”劳克林说。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E但也有人说，在像51PegasiB和其他更近的行星中，根本没有足够的物质形成近距离的行星。剑桥麻省理工学院的物理学家JoshuaWinn直截了当地宣称：“它们不可能在原地形成。”外行星中相当大的一部分似乎处于细长、倾斜甚至向后的轨道上，这似乎也暗示着某种行星的移动。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E对于这些怪人来说，理论家们引发了一场引力混战，而不是一场平静的迁徙。一个质量丰富的圆盘可能会产生许多紧密相连的行星，在那里，引力的斗争会把它们抛向恒星，抛入奇怪的轨道，或抛出系统。另一个潜在的破坏者是在一个拉长轨道上的伴星。大多数情况下，它离我们太远，无法产生影响，但偶尔它也会摇摆不定，把事情搞得一团糟。或者，如果母星是紧密结合的星团的一员，那么邻近的恒星可能会漂移得太近，造成严重破坏。“有很多方法可以打破一个系统，”温说。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cdiv class=\"pgc-img\"\u003E\u003Cimg src=\"http:\u002F\u002Fp1.pstatp.com\u002Flarge\u002Fpgc-image\u002F5f3f1d0a87f3407ea498f08fbd6d3ab4\" img_width=\"400\" img_height=\"400\" alt=\"禁地行星：了解曾经被认为不可能的外星世界\" inline=\"0\"\u003E\u003Cp class=\"pgc-img-caption\"\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E\u003Cp\u003EAn image of HL Tauri’s protoplanetary disk. Are planets forming in the gaps?ALMA (ESO\u002FNAOJ\u002FNRAO)\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E开普勒令人惊讶的发现，60%的类太阳恒星是由一个超级地球绕轨道运行的，然而，这需要一种全新的理论。大多数超级地球，被认为主要是固体岩石和金属，含有少量气体，其轨道比地球更紧密，通常一颗恒星有几个。例如，开普勒-80系统有四个超级地球，它们的轨道都是9天或更少。传统理论认为，雪线内部的堆芯吸积太慢，无法产生如此大的物质。超级地球很少出现在共振轨道上，这表明它们没有迁移，而是在它们所在的位置形成。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E研究人员正在想出解决这个问题的方法。一个想法是通过一个被称为卵石吸积的过程来加速吸积。富气盘中的气体对卵石大小的物体产生很大的阻力。这通常会减慢它们的速度，使它们向恒星漂移。如果他们一路上经过一个小行星，他们的慢速度意味着他们可以更容易地被捕获，从而增加吸积。但是更快的吸积和气体丰富的圆盘提出了他们自己的问题：超级地球一旦超过一定的尺寸，就应该吸入厚厚的大气层。“你如何阻止他们成为气体巨人？新泽西州普林斯顿高级研究所的天体物理学家罗曼·拉菲科夫问道。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cdiv class=\"pgc-img\"\u003E\u003Cimg src=\"http:\u002F\u002Fp1.pstatp.com\u002Flarge\u002Fpgc-image\u002F6a5020762f994b81856d617266751b89\" img_width=\"700\" img_height=\"955\" alt=\"禁地行星：了解曾经被认为不可能的外星世界\" inline=\"0\"\u003E\u003Cp class=\"pgc-img-caption\"\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E\u003Cp\u003EV. ALTOUNIAN\u002F\u003Cem\u003ESCIENCE\u003C\u002Fem\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E加州大学伯克利分校（UCBerkeley）的天文学家尤金•蒋（Eugene Chiang）表示，只要圆盘富含固体，气体贫乏，就没有必要加速吸积。他说，比形成太阳系的圆盘密度大10倍的内部圆盘很容易产生一个或多个超级地球。蒋介石有他的超级地球，避免收集太多的残余气体，通过形成在磁盘的垂死的日子，当大部分气体已经消散。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E智利北部即将完工的国际设施阿塔卡马大毫米\u002F亚毫米阵列（ALMA）的一些早期观测结果支持这一建议。ALMA可以绘制磁盘中温暖灰尘和砾石的无线电发射图。到目前为止，它所研究的少数几个似乎相对庞大。但是，观测结果还不是一把冒烟的枪，因为阿尔玛还没有完全投入使用，它只能看到圆盘的外部，而不能看到超级地球所在的区域。蒋介石说：“靠得近，这才是诀窍。”这是阿尔玛在66根天线都正常工作时可能做的。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E蒋介石还解释了开普勒的另一个发现：超级膨胀，这是一组罕见且同样有问题的行星，其质量比超级地球小，但看起来很大，膨胀的大气占其质量的20%。这种行星被认为是在富含气体的圆盘中形成的。但在内盘中，温暖的气体会对抗行星微弱的重力，所以外盘中寒冷而稠密的气体更有可能是子宫。蒋介石援引“迁移”来解释它们的近轨道——这一概念得到了这样一个事实的支持，即超烟团通常被锁定在共振轨道上。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E到目前为止，外行星研究中的大部分注意力都集中在行星系统的内部，大约在相当于木星轨道的距离内，原因很简单，所有现有的探测方法都能看到。这两种主要的方法测量恒星的摇摆，由一个绕轨道运行的行星的引力拖拽引起，以及测量一个行星在前面经过时恒星的周期性变暗，这两种方法都有利于在近轨道运行的大行星。行星本身的成像是非常困难的，因为它们微弱的光线几乎被恒星的强光所淹没，而恒星的强光是恒星的十亿倍。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E但是，通过扩大世界上最大望远镜的范围，天文学家已经直接看到了少数行星。在过去的几年里，两种专门为外行星图像设计的新仪器也加入了这场狩猎。欧洲的光谱偏振高对比度系外行星研究（SPHERE）和美国支持的双子座行星成像仪（GPI）被安装在智利的大型望远镜上，并使用被称为日冕仪的精密掩模来阻挡恒星的光线。毫不奇怪，远离恒星的行星是最简单的目标。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E通过直接成像发现的最早也是最令人震惊的系统之一是围绕恒星HR 8799的系统，其中四颗行星的轨道范围从土星以外到海王星距离的两倍多。最令人惊讶的是，这四颗行星都是巨大的，是木星质量的五倍多。根据理论，在如此遥远的轨道上运行的行星速度如此之慢，以至于在圆盘散开之前，它们应该以冰川的速度生长，并以离木星很近的质量达到顶端。然而，行星漂亮的圆形轨道表明它们并没有从离恒星较近的地方被抛到那里。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E这种遥远的巨行星支持了标准理论最根本的挑战，在标准理论中，一些行星不是由核心吸积形成的，而是由一个称为引力不稳定性的过程形成的。这个过程需要一个富含气体的原行星盘，它在自身重力作用下分解成团块。随着时间的推移，这些气体团会直接坍塌成巨大的行星，而不必首先形成一个坚固的核心。模型表明，这种机制只在特定情况下起作用：气体必须是冷的，不能旋转得太快，收缩气体必须能够有效地散热。它能解释HR 8799的行星吗？拉菲科夫说，只有外面的两个足够遥远和寒冷。“这仍然是一个相当令人费解的系统，”他说。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E过去，射电望远镜对原行星盘的观测为重力不稳定提供了一些支持。望远镜对冷气体很敏感，看到圆盘上散布着杂乱的、不对称的斑点。但最近来自阿尔玛的图片描绘了一幅不同的画面。ALMA对来自圆盘中间平面尘埃颗粒的较短波长很敏感，它在2014年拍摄的HL Tauri星和今年拍摄的TW Hydrae星的图像显示了光滑、对称的圆盘，暗圆形的“间隙”远远超出海王星状轨道（见下图）。“这是一个巨大的惊喜。磁盘不是一团糟，但有一个漂亮的，规则的，漂亮的结构，”拉菲科夫说。这些图像暗示了行星在核心吸积作用下，随着其轨道的清洁，对重力不稳定的拥护者是一个打击。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E现在说GPI和球体在行星系统的外缘还为时过早。但是，这些偏远地区与热木星和超级地球的近距离区域之间的区域仍然难以触及：距离恒星太近，无法直接成像，距离依靠恒星摇晃或变暗的间接技术太远。因此，理论家很难全面了解外行星系统是什么样的。劳克林说：“我们基于零碎和不完整的观察结果。”“现在，可能每个人都错了。”\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E天文学家不用等太久才能得到更好的数据。明年，美国航天局将发射其凌日系外行星调查卫星（TESS），明年欧洲航天局（ESA）将发射其特征系外行星卫星（CHEOPS）。与开普勒（Kepler）不同的是，它对大量恒星进行了稀疏的详细调查，以编制一份外行星普查，而苔丝和天狼星（Cheops）则将重点放在靠近地球的明亮的类太阳恒星上，使研究人员能够探索中轨道的未知Terra。由于目标恒星就在附近，地面望远镜应该能够评估它们的行星的质量，使研究人员能够计算出行星的密度，指出哪些是岩石或气体。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E定于2018年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜将进一步分析穿过外行星大气层的星光，以确定其构成。“构图是形成的重要线索，”麦金托什说。例如，在超级地球的大气中发现较重的元素可能意味着需要一个富含这些元素的圆盘来足够快地形成行星核心。下一个十年，诸如美国宇航局的广域红外勘测望远镜、欧空局的行星经纬仪和振荡探测器等航天器将与新一代的大型地面望远镜一起加入搜寻行动，这些望远镜的反射镜直径为30米或更大。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E如果要回顾过去，模特们必须时刻保持警惕。“自然比我们的理论更聪明，”拉菲科夫说。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003EPosted in:\u003Cstrong\u003ESpacePlanets Topic\u003C\u002Fstrong\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003Edoi:10.1126\u002Fscience.aag0700\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E"