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2012-4-14

流浪行星的故事

行星应该环绕恒星运转,这是天文学上再简单不过的常识。从天体演化的角度看,现在也一般认为是先形成中央的恒星,然后星周盘的物质再凝聚成行星,因此这条常识也是很自然的推论。在这样的背景下,无依无靠的流浪行星乍看之下就显得很古怪了。

艺术家笔下的流浪行星。(图片提供:Christine Pulliam/CfA)

不过大约在一年之前,人们还真确认了这样几颗无主行星。当然,因为这些行星没有主星,其确认的方法也不再是搜索主星轨道受到的微弱周期性摄动或者凌星期间主星亮度发生的微小变化,而是借助微引力透镜技术。引力透镜的概念大家应该不陌生,光线在通过前景引力场的时候会发生扭曲。如果引力场来自星系团或者大型黑洞这样的高面密度天体,其扭曲幅度很大,观测者所见的就是背景天体被扭曲的影像。不过如果前景引力源没有这样极端,人们就几乎观测不到扭曲的天体形象了,但是这不意味着光线的扭曲不存在。相反,扭曲可以通过增亮或者系统性的微弱偏向性表现出来。

恒星级与行星级引力源引发的微引力透镜效应比较。(图片提供:WFIRST/GSFC/NASA)

如果引力源的质量在恒星级或者更小,对应的就是微引力透镜,此时光线的弯曲量非常小,现有观测手段几乎无法察觉,所以只能探查该效应引发的背景天体亮度突增,根据亮度突增持续的时间不难给出引力源的限制,基本上持续时间越短,引力源则越小。这一手段其实存在撞运气的成分,效率不是很高,但是对于搜寻流浪行星来说似乎是首选,因此相关努力一直在进行着。去年5月,天体物理微引力透镜观测(MOA)与光学引力透镜实验(OGLE)研究小组的成员、大阪大学的住贵宏与同行公布了观测结果:在两年的时间里他们使用新西兰约翰山天文台的1.8米望远镜以及智利拉斯坎帕纳斯天文台的1.3米望远镜监测了5000万颗河内恒星,共发现470余次微引力透镜现象,其中有10次时间足够短,可以归因于木星尺度的行星;而又由于这10次增亮现象附近15亿千米(大致相当于土星轨道半径)内并不存在恒星,早先的观测又表明类木行星一般距离主星距离一般不会太远,这些行星很可能是流浪八方无依无靠的。

双行星Oph 162225-240515的艺术概念图。(图片提供:ESO)

惊讶吗?其实也算不上。早在2006年夏天,欧洲南方天文台就宣布发现了一对彼此绕转且并不具备主星的行星了。这两颗行星质量分别在木星的7倍和14倍左右,位于蛇夫座恒星形成区,它们的年龄都不大,只有百万年左右,其间距大约是太阳到冥王星的6倍。那年更早些时候,同一机构还发现了周围有盘状结构环绕的行星级天体。欧南台的观测手段不是引力透镜,而是大型望远镜的直接成像。而在此之前,还有数十颗疑似的流浪行星被拍摄了下来。

具备星周盘结构的行星,它是褐矮星2M1207的伴星,质量约合木星的8倍。(图片提供:ESO)

不过与欧南台的直接成像相比,微引力透镜搜索具有另一个优势:它不仅可以确认流浪行星的存在,还可以从统计上估算出这类天体的总数。考虑行星质量和体积较恒星而言都很小,一来引发微引力透镜事件的概率不大,二来对应事件因为持续时间较短而难以察觉,另外MOA与OGLE的巡天范围也都很有限(等于是为银河系的一小部分采样),因此除非小组成员交了好运,否则两年间目击10次流浪行星相关的微引力透镜现象意味着,这类天体数量极可能是恒星的许多倍。

那么流浪行星的存在有何理论依据?首先必须摆明的一点是,虽然太阳系看起来严整有序(换句话说,各大行星都在共面近圆的轨道上环绕中心恒星同向运转),但是并非所有的恒星系统都如此。目前已经发现了数百颗“有主(姑且这样称呼吧)”系外行星,它们可谓是花样繁多,距离主星过近者有之,轨道偏心率或者倾角大得让人瞠目者有之,逆向公转的也有之。这些看上去违背常识的行星往往暗示了一点:在该恒星系统的过往发生过剧烈的星体相互作用,如今看来古怪的行星其实是受这些过程的影响,发生轨道迁移的结果。其实哪怕有序的太阳系在昔日也不是没有过类似的现象。当代数值模拟工作证明,倘或不发生行星迁移,各大行星都是在现有位置形成的话,天王星与海王星不会像实际那样大,火星也不会像实际那样小。为了得到符合事实情况的太阳系,行星引力相互作用是必然的。

星体之间发生引力作用可以让一些行星轨道出现变化,同时还有可能将部分行星彻底甩出原本的系统。因此这样看来,流浪行星是很自然的产物。这一过程还暗示了另一可能性:既然木星级甚至质量更大的行星都会受此过程影响,被甩开的地球级恒星必然更多。而且如果地球级流浪恒星的大气中氢等温室气体的含量足够高,哪怕没有主星光芒的照耀,它们都可以在内部放射性元素和火山等地质活动的帮助下将表面温度维持在水的冰点之上。甚至在远离恒星的条件下,由于行星几乎不用遭受强烈的紫外线辐射,大气氢损失的可能性更小。

值得一提的是,在行星相互作用期间,原有的卫星也有相当的几率得以保持,比如模拟显示这一几率对于地球级行星来说在百分之五左右。这除了说明存在发现流浪行星系的可能性,还提供了另一条保持流浪行星表面温度的渠道——与卫星之间的潮汐作用。这连同含氢大气,都意味着地球级流浪行星上可能拥有生命,虽说存在高等智能生命的概率微乎其微。当然,凭借现有技术去发现这样的行星仍旧困难重重,不过计划中的广域红外巡天望远镜(WFIRST)已经将通过微引力透镜普查不同尺度的流浪行星作为了研究目标之一,未来有望在此方面取得突破性进展。

WFIRST空间望远镜的概念图。(图片提供:WFIRST/GSFC/NASA)

诞生流浪恒星的另一条渠道与恒星形成类似,都是从独立的分子云坍缩而来。与恒星不同的是,形成行星的前身云团质量过小,不足以点燃星体核心的聚变火焰,这样的产物甚至连充当褐矮星的资格都不够。虽然有研究者坚持认为不在恒星星周盘中形成的星体称不上真正的行星,不过笔者看来这只是在玩弄文字定义的游戏而已。

MOA与OGLE的观测结果只是说明流浪行星数量应该是恒星的数倍,不过考虑银河系总引力场以及重元素总量的后续工作指出,这类天体最多可达恒星的十万倍。虽然这一数字只是上限,具体数量还需要对行星形成过程作进一步研究才能确定,但是它已经充分说明在此领域作出发现的潜力。

流浪行星的结局是怎样的?除了浪迹星际环绕星系中心运转一生之外,根据理论计算,它们另有被恒星俘获的可能性。与原生行星相比,俘获行星一般具有轨道半长径大、倾角高甚至逆行等特征,其与主星的距离可能是日地间距的上千倍还多。。一般来说恒星质量越大,俘获行星的概率也越高。由于恒星系统内的相互作用也可能造就高倾角或者逆行的特征,确定某颗恒星系俘获而来并非易事。目前这一理论的最佳证据就是欧南台发现的双行星Oph 162225-240515,不过最直接的证明莫过于在很远的距离上环绕小质量恒星运行的行星(小质量恒星的星周盘也相应较小,很难在远处形成大行星),但是人们尚未发现过这样的恒星系统。

发现流浪行星最大的意义在于,它说明了恒星系统中可能发生的剧烈相互作用,以及人们对天体演化了解的不充分。考虑流浪行星的数量及其存在生命的可能性,有人甚至认为在远古时代,是它们为太阳系带来了生命的种子。不过到目前为止,人们尚未在太阳系内发现俘获行星的明确迹象,至少俘获大型行星的可能性已经基本被排除,但是也许在太阳系的最外围,确实有外来的小星球仍在游荡着,有待发现。

 

注:本文为《天文爱好者》约稿,请勿转载。

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