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宜居行星——科幻的起点  

2014-10-27 14:21:23|  分类: 新刊推荐 |  标签: |举报 |字号 订阅

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宜居行星——科幻的起点 - kxsj - Newton-科学世界
 
撰文/周济林
(南京大学天文与空间科学学院院长,研究领域为太阳系外行星系统的探测与动力学)


不管是《星球大战》还是《银河护卫队》,都有许多奇奇怪怪的外星人。但我们似乎忽略了一个问题:这些恒星际舰队的基地设在什么地方?按照我们的理解,至少应该在有固体表面的行星上。那么恒星际之间真有这么多固态行星吗?直到最近几年,地面和空间观测的发现表明,可能超过1/6的类似太阳的恒星会拥有1~2个地球半径的固态行星,这个问题才得到了回答。那么,固态行星是如何形成的?它们的表面温度如何?是否适宜像我们人类这样的生命居住呢?

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银河护卫队


要回答这些问题,首先要看行星系统是如何形成的。早在18世纪,拉普拉斯就提出了太阳系形成的星云假说,认为太阳系的行星系统源自于围绕太阳旋转的一个盘状星云。现代天文学观测证实了这种说法。像太阳这样具有中小质量的恒星都是由弥漫在星际介质中的密集分子云核经过引力塌缩形成的。由于初始角动量的存在,在原恒星的赤道面会形成一个大约100天文单位范围、质量为几十个木星的原恒星盘。这些盘的存在可由观测原恒星辐射在红外波段的分布所证实。原恒星盘是孕育行星的温床。随着原恒星形成恒星后主星辐射的增强,原恒星盘的气体成分一般在几百万年的时间尺度内由于被电离而消散,因此,类似木星的气态巨行星必须在此时间尺度内形成。而固态行星,则可以由残留的行星胚胎经过碰撞继续形成。例如数值模拟发现,地球可以是盘消失2~3亿年后形成。

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那么,同样在一个行星系统,为什么有的形成气态巨行星,有的则形成类地行星?是否有规律可循?科学家认为,是有规律的。根据目前普遍接受的行星形成的核吸积模型,固态行星或者气态行星的核主要是原恒星盘中的重元素(氢、氦以外的元素)物质凝聚形成。

《科学世界》第11期的特别策划文章“太阳系的诞生”就主要介绍了这个过程,包括人类通过空间探测得到有关这个过程的证据。

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在靠近宿主恒星的地方,盘的温度比较高,只有铁、镍等金属才能凝聚形成行星胚胎;而在远离主星的地方,常温下为气态的物质(如甲烷、氨等)能以固态的形式被凝结到行星胚胎。加上远离恒星的行星胚胎作用范围较大,因此,只有在远离恒星的地方才可以形成较大质量胚胎。数值模拟表明,只有10个地球质量以上的原行星胚胎才能有效地吸积和束缚住大气,形成类木行星。因此,太阳系的行星分布(内部是类地行星,外部是气态或者冰巨行星)非常符合这一模型。然而,正如本期文章中介绍的,行星胚胎形成后,还会与大气盘相互作用,形成较大尺度的径向迁移,行星之间也会有相互作用,形成诸如热木星(非常靠近主星的气态巨行星)等千姿百态的行星系统。而类地行星中,只有温度比较适宜的(主要取决于恒星辐射和行星大气成分)、有液态水存在的,我们才称之为宜居行星。


既然行星是普遍存在的,那为什么直到20世纪末人类才发现系外行星?主要原因是行星都很暗,例如木星自身辐射总光度仅仅是太阳的约1亿分之一,而地球更是100亿分之一,而且行星距离主星都很近(几个天文单位量级)。从地球看中等距离恒星(几十光年,约数百万天文单位)附近的一颗行星,相当于从南京看北京的奥运火炬边上几十厘米处的一只萤火虫,极难观测。现代天文观测技术的进步是取得系外行星探测突破的根本原因。目前的探测大多使用间接的方法(即不是直接探测来自行星的光子),例如通过测量行星引起主星绕公共质心的视向速度变化、观测行星凌食主星的光变等。开普勒(Kepler)卫星用的就是后一个原理。

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开普勒卫星

搜寻宜居行星是近年来系外行星探测的重要科学目标。继开普勒卫星之后,国际上用于专门搜寻系外行星的项目还有预期2017年上天的美国TESS卫星,欧洲计划2020年左右发射的PLATO卫星等。地面上有也已经有很多小望远镜阵专门用来长期搜寻系外行星,例如WASP、HAT等。我国在南极昆仑站也设置了望远镜,并且已经发现了6个系外行星候选体。未来,南京大学还准备在新疆天文台建设一个ARES阵列,专门用于北极天区的系外行星探测。

身处这个时代,可以见证甚至参与以往只存在于科学幻想中的系外行星的发现,我们是幸运的。

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