重新审视行星质量的上限
多大的天体能够被称为行星？这个问题并不是那么容易回答。其下限相对还容易确定一些，所谓流体静力学平衡是也（虽然IAU在2006版行星定义中的“清空轨道上其他天体”一条实在欠严谨），但是上限就因为褐矮星的存在而显得含混多了。先前站里曾经对此问题作过简要介绍，称IAU当前将氘元素聚变视作区分褐矮星和行星的标准，由此导出的行星质量上限在木星的13倍左右。但是与行星定义一样，并非所有的研究者都承认这条标准的可靠性。近期约翰·霍普金斯大学的Kevin C. Schlaufman就从天体演化的角度，重新审视了行星质量可能的最大值。
首先要再次澄清的是，IAU对行星质量上限（或褐矮星质量下限）的定义实际上是一种不得已而为之。至少根据现有的理论，行星与褐矮星的本质区别不在于同位素氘的燃烧与否，而是其形成路径：行星一般由小型“星子”逐渐吸积成长而得，褐矮星却是像恒星那样经由星云的不稳定性“自上而下”地坍缩产生。只是我们所见的行星也好，褐矮星也罢，都属于天体演化的最终产品，很难根据它们现有的模样准确获知其诞生渠道，只能退而求其次地借助其他可观测/计算量加以区分，氘的聚变就是其中的一个指标。
“自下而上”吸积形成的行星（上）与“自上而下”坍缩而成的褐矮星（下）的比较图。（图片提供：NASA/ESA/A. Feild）
除了无法反映天体演化轨迹的实质之外，氘聚变作为行星上限的定义还存在自身的不确定性——能够让氘发生反应的星体质量并非阶梯式的一刀切，而是取决于星体物质组分、结构等众多因素。比如在13倍于木星的质量条件下，一个星球的重元素比例越高，氘就越容易点燃。这样看来，IAU现行的标准着实不够简洁
Schlaufman此项研究的出发点是，虽然根据观测难以判定某个质量数倍于木星的特定天体的形成方式，但从统计学的角度上看，区分两种演化轨迹在一定程度上是可行的，标准就是主星的金属（也就是任何原子序数大于氢和氦的元素）丰度，通常用铁相对氢的比例来代表。
无论是行星形成理论还是已有的系外行星数据，都表明质量与木星接近的系外行星所环绕的主星多为富铁的矮星。恒星的高金属丰度往往意味着前身星云的高金属丰度，而金属元素在行星形成过程中至关重要——哪怕是木星这样以氢为主的气态星球，其形成之初也需要一个固态的核心作为“种子”。没有金属，这样的种子无从谈起。另一方面，直接从星云中坍缩而来的褐矮星，其形成与前身云团中的金属丰度相差不大。在观测上，质量相当于木星百倍（但仍环绕某恒星运行）的天体，其主星的金属性就比较多样了。
不过哪怕从统计方法出发，想比较主星金属丰度与环绕其运行的行星/褐矮星质量的关系，也不是那么容易。寻找系外行星最经典的方法是借助行星对恒星的引力作用在恒星光谱中留下的多普勒速度变化，但如此这般给出的行星质量带有一个与轨道面倾角有关的三角函数项，从而使得其可能的质量范围变得极不确定。好在现在以开普勒为首的新一代行星搜索设备利用凌星法作出了大量发现，利用这种方式找到的行星候选体轨道倾角普遍接近90度，由此对它们的质量估计也就较为可靠了。
因此Schlaufman挑选了一百余个质量超过木星的10%以上的系外行星，这些目标的发现都使用了光谱与凌星两种方法。同时，他还选择了数十个质量小于木星300倍（也就是太阳的30%）的凌星褐矮星样本，它们的质量已知，而且都环绕着类太阳矮星运行。值得注意的是，行星样本的挑选并未对主星类型提出特别要求，但样本中的主星温度和光谱型却都与太阳相差不大。
Schlaufman对两批样本进行了成团性以及移动中位数（Moving Median）分析，发现它们在质量-主星金属丰度图上呈现出了明显的双模分布——小质量、主星高金属丰度的行星是一类，大质量、主星金属丰度的褐矮星又是一类。二者的分界线介于木星质量的4到10倍之间，而位于分界线附近模糊地带的样本数量极少。
类木行星与褐矮星在质量-主星金属丰度图中的分布，可见它们结成了两个泾渭分明的团簇，身居团簇之间模糊地带的样本数量较少。（图片来源：Schlaufman 2018）
鉴于各自演化路径对主星金属丰度的要求，高金属丰度的类木行星团簇自然意味着自下而上的行星形成过程更容易发生。Schlaufman的结论就是，质量不足木星4倍的天体更有可能是通过星子吸积长出的真正行星，超过木星10倍的那些就更可能是坍缩塑造出的褐矮星了，这两种天体的分野就落在了上图以灰色标出的中间地带。
而这个4-10倍于木星的行星质量上限反过来又为行星形成过程带来了限制。星子模型认为，在巨行星最终形成之前，要经历一个失控的气体吸积阶段。如果行星质量有此上限，就要求原行星盘中的气体要么质量低于通常所认为的数值，要么具备较小的黏性。这两种可能性其实都会减轻行星与盘面物质的相互作用，进而在一定程度上阻碍巨行星的向内迁移，最终有利于行星的存活。这样看来，更大的行星难以经吸积渠道形成也是有道理的，因为它们需要盘中有更多更黏稠的气体，这样一来其更容易迁移到主星附近并被摧毁。在Schlaufman新近提出的这套理论中，一环扣一环，从逻辑上看倒很是自洽。
