黃心薇

長(zhǎng)久以來(lái)，人類(lèi)一直致力于探尋宇宙中是否存在另一顆地球。時(shí)至今日，憑著智慧和毅力，人類(lèi)終于發(fā)現(xiàn)了第一顆太陽(yáng)系外的行星——飛馬座51號(hào)，而后陸陸續(xù)續(xù)又找到了20顆以上的外太陽(yáng)系行星。然而，這些新發(fā)現(xiàn)的行星，是否和地球以同樣的方式形成?在它們之中是否也存在著另一個(gè)文明世界?這些都是我們急欲尋求解答的。

現(xiàn)在，天文物理學(xué)家最想了解的是新發(fā)現(xiàn)的外太陽(yáng)系行星與行星形成的關(guān)聯(lián)性，并以此來(lái)評(píng)估在銀河系中，類(lèi)似地球般行星存在的可能性。目前人類(lèi)對(duì)恒星及行星形成的理論已有很大的發(fā)展，但在新的行星系發(fā)現(xiàn)之前，這些行星形成的學(xué)說(shuō)只能用來(lái)解釋我們的太陽(yáng)系而已。令人振奮的是，目前天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了20顆以上的外太陽(yáng)系行星，下面我們就簡(jiǎn)單地討論一下這些新發(fā)現(xiàn)的行星告訴了我們些什么。

行星與棕矮星

幾年前，天文學(xué)家就已發(fā)現(xiàn)相對(duì)于一般恒星而言質(zhì)量非常低的伴星，其中包括所謂的脈沖星行星及棕矮星，它們都同樣令人感到困惑。正確指認(rèn)所發(fā)現(xiàn)的低質(zhì)量伴星到底是棕矮星還是行星，是一件很困難的事。除了分類(lèi)命名外，尚需考慮星體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制。如果我們發(fā)現(xiàn)有一顆像木星般巨大的氣體行星繞著一顆恒星公轉(zhuǎn)，我們自然也會(huì)猜測(cè)此行星系中是否也存在有一顆像地球般的行星?然而，如果此伴星是棕矮星的話，我們就難以推斷是否也有類(lèi)似地球的行星在這個(gè)系統(tǒng)中形成。一般認(rèn)為雙星系統(tǒng)會(huì)破壞行星形成的機(jī)制，至少當(dāng)此雙星彼此間的距離和典型的行星軌道半徑相仿時(shí)，行星將無(wú)法形成。

太陽(yáng)系有兩顆巨大的氣體行星——木星與土星，它們的質(zhì)量都不超過(guò)太陽(yáng)質(zhì)量的0.1％。棕矮星的形成過(guò)程和恒星一樣，但質(zhì)量小于0.08個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量(在恒星演化過(guò)程中，點(diǎn)燃?xì)涞臒岷朔磻?yīng)所需的最低質(zhì)量為0.08個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量)。因?yàn)槿鄙贌岷四埽⑶抑饕怯蓺浜秃に鶚?gòu)成，因此棕矮星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和巨大氣體行星極為相似。例如Gliese229的伴星為一顆棕矮星，其光譜有很大的甲烷吸收帶，跟木星很像。

巨大氣體行星和棕矮星的不同之處在于它們形成的機(jī)制，木星及土星的核心為似冰及似巖的物質(zhì)。在棕矮星及外太陽(yáng)系行星尚未發(fā)現(xiàn)前，質(zhì)量最小的恒星出現(xiàn)在主星序帶較低的尾端處，質(zhì)量大于或等于0.08個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。棕矮星及外太陽(yáng)系行星的發(fā)現(xiàn)，填補(bǔ)了天文研究中介于最輕的恒星及最重的行星間的空檔?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，將來(lái)我們可能無(wú)法單單只用質(zhì)量來(lái)區(qū)分恒星和行星?；蛟S會(huì)出現(xiàn)一些行星，其質(zhì)量大于最輕的棕矮星。如果真的發(fā)生了這種情況，到時(shí)必然會(huì)有其他定義星體的方法?，F(xiàn)在，多數(shù)研究恒星與行星形成的科學(xué)家，他們主張利用形成機(jī)制來(lái)區(qū)別恒星與行星：恒星是由稠密的星際介質(zhì)，如氣體和塵埃組成的云氣所生成的；而行星則是在恒星大致成形后才開(kāi)始產(chǎn)生的，由環(huán)繞在恒星軌道上的碎屑物組成。

棕矮星乎?行星乎?

在新發(fā)現(xiàn)的行星中，有三顆行星的軌道具較大的離心率，即圍繞著16CygaaiB、70Virginis及HD114762的三顆行星。依行星形成理論來(lái)看，行星的軌道應(yīng)該是近乎圓形的，而且在軌道面飄移過(guò)后，軌道只會(huì)變大變小而已，應(yīng)該不會(huì)改變形狀。因此科學(xué)家認(rèn)為，勢(shì)必有某些其他因素在這三顆行星形成之后對(duì)它們的軌道造成擾動(dòng)，使其離心率變大。圍繞著16CygniB的行星，其軌道是受中央星的伴星16CygniA所影響，漸漸變成離心率高的橢圓形軌道；而另外兩顆行星的質(zhì)量皆大于6倍木星質(zhì)量，遠(yuǎn)超過(guò)行星形成所需的最大質(zhì)量，所以有天文學(xué)家認(rèn)為它們可能是棕矮星而非行星。因?yàn)樽匕堑男纬煞绞胶托行遣煌?，所以比起任何行星，它們可以以高離心率及高質(zhì)量存在。

形成的機(jī)制

太陽(yáng)系行星的形成，從恒星云氣收縮塌陷而產(chǎn)生原始太陽(yáng)，氣體、塵埃組成的盤(pán)狀云氣繞著原始太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，并開(kāi)始朝轉(zhuǎn)軸兩極上下噴出噴射流。在大部分繞星云氣被重力吸落至恒星上之后，剩下的物質(zhì)會(huì)凝結(jié)，并在繞星盤(pán)面上產(chǎn)生許多微行星。這些微行星在重力作用下反復(fù)撞擊、結(jié)合，逐漸形成原始行星。位于太陽(yáng)系內(nèi)側(cè)的行星因?yàn)槭芴?yáng)高溫的影響，大部分的組成物是一些不揮發(fā)的粒子，因而只能形成質(zhì)量小且類(lèi)似地球的類(lèi)地行星；而位于太陽(yáng)系外側(cè)的行星因?yàn)樾枰罅课镔|(zhì)的供應(yīng)，所以它們應(yīng)該在距恒星數(shù)個(gè)天文單位遠(yuǎn)的地方形成類(lèi)似木星的巨大氣體行星(繞星盤(pán)在此處含有較多行星形成時(shí)所需的物質(zhì))。然而，在我們所發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)系外行星系中，大部分行星距中央主星都在1天文單位以?xún)?nèi)。以太陽(yáng)系的形成理論來(lái)看，在距中央主星如此近的距離內(nèi)，巨大行星是不可能存在的，所以這些巨大行星的形成方式可能和太陽(yáng)系內(nèi)巨大行星的形成方式有很大的差異。

在我們陸續(xù)觀察到的現(xiàn)象中，最主要的進(jìn)展之一是：發(fā)現(xiàn)一些非常年輕的恒星和老的恒星一樣，也擁有伴星。這個(gè)發(fā)現(xiàn)意味著伴星在主星形成前就存在了。在原始恒星云氣收縮塌陷階段，原始的云氣受本身重力的影響，在塌陷的過(guò)程中分裂成兩個(gè)或更多個(gè)團(tuán)塊；其中一塊變成恒星，另外的變成了行星和棕矮星。而距恒星很近的棕矮星，因?yàn)槭艿胶阈歉邷氐挠绊?，從而變成了和木星一樣的氣體行星。另一種可能的解釋是：巨大氣體行星原本和太陽(yáng)系中的木星及土星一樣，誕生于距中央恒星較遠(yuǎn)的地方，而后受到圓盤(pán)的重力吸引，才慢慢遷移到現(xiàn)今的位置。停止遷移的機(jī)制可能有二：其一是受恒星和行星之間重力的影響，一旦行星非?？拷阈牵行潜砻婢蜁?huì)有潮汐漲高的情形，此時(shí)潮汐力會(huì)對(duì)行星產(chǎn)生一股推力，以抵抗圓盤(pán)對(duì)行星的吸引力；另一個(gè)原因可能是磁場(chǎng)，當(dāng)行星飄移到靠近恒星的某個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，受恒星磁場(chǎng)的影響，圓盤(pán)的引力就不足以再繼續(xù)作用，而行星就停止向內(nèi)飄移。

脈沖星行星被認(rèn)為是在超新星爆炸成中子星之后形成的。在超新星爆炸的過(guò)程中，形成了脈沖星及脈沖星周?chē)奈e盤(pán)。脈沖星能高速旋轉(zhuǎn)，歸因于由吸積所獲得的角動(dòng)量。吸積盤(pán)最后因脈沖星的高能粒子風(fēng)作用而消失，只剩下高速旋轉(zhuǎn)的脈沖星和圍繞著脈沖星的行星。

尋找行星的方法

外太陽(yáng)系行星可利用直接或間接方法測(cè)出。直接的方法是尋找由星體本身所發(fā)射或反射的光線，如Gliese229的棕矮星伴星，就是用日冕儀望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的。但是，直接探測(cè)出外太陽(yáng)系行星較發(fā)現(xiàn)棕矮星困難多了。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，太陽(yáng)發(fā)出的輻射強(qiáng)度較木星反射的輻射強(qiáng)109倍，較地球反射的強(qiáng)1010倍；在紅外線10微米的波長(zhǎng)下，太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度較行星反射的強(qiáng)104倍～106倍!所以，在紅外線波段直接偵測(cè)外太陽(yáng)系行星，將會(huì)比在可見(jiàn)光范圍內(nèi)容易，從而成為主要的搜尋方法。尋找軌道距恒星只有幾個(gè)天文單位的行星，需要用適當(dāng)?shù)拇笮偷孛嫱h(yuǎn)鏡或是太空望遠(yuǎn)鏡以避免大氣的干擾。

間接尋找外太陽(yáng)系行星可以用視向速度，第一顆外太陽(yáng)系行星便是用視向速度發(fā)現(xiàn)的。恒星在太空中的視向速度可以由多普勒位移測(cè)出，但是測(cè)量由行星伴星所造成的額外多普勒位移是件困難的事，這需要一個(gè)高分辨率的光譜儀及一顆在光譜中擁有許多吸收譜線的恒星。如果恒星的視向速度有周期性的變化，我們便可推測(cè)這是因?yàn)楹阈窃诶@著系統(tǒng)的質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)(行星伴隨著主星將使得此恒星繞著系統(tǒng)的質(zhì)心做軌道運(yùn)動(dòng))，而視向速度振動(dòng)的幅度則對(duì)其伴星的質(zhì)量提供了下限。木星造成的太陽(yáng)視向速度振幅為12米／秒，而目前的視向速度測(cè)量?jī)x的靈敏度大約是在10米，秒的范圍。用這種方法更易于發(fā)現(xiàn)高質(zhì)量、短周期的行星。排除第一顆行星所造成的振幅后，若有其他殘余的振幅，即可推測(cè)是否還存在其他行星。脈沖星行星系PSRB 1257+12即是利用此方法找出。

伴星會(huì)迅速地向前及向后橫越軌道平面，造成周期性掩蔽恒星。在地面上觀測(cè)時(shí)，視地球大氣擾動(dòng)的程度而異，從這些恒星上發(fā)出的周期性信號(hào)間所產(chǎn)生的相差，可以精確到10^-3角秒或更好。用這個(gè)方法可以計(jì)算出伴行星的存在。Ial21185恒星系的兩顆與木星質(zhì)量差不多的行星就是利用此方法測(cè)得，它們的軌道半徑分別為2.5天文單位及10天文單位，軌道傾角40度。因?yàn)檐壍乐芷诤荛L(zhǎng)(分別為6年及30年)，所以需要很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)確認(rèn)這一觀測(cè)結(jié)果。

另一個(gè)尋找行星的方法是利用微重力透鏡。當(dāng)前景星體在觀察者及背景星體所發(fā)出的光之間移動(dòng)時(shí)，前景星可以改變背景星所發(fā)出光線的路徑，使經(jīng)過(guò)前景星的光線更為靠近前景星，這時(shí)候觀察者就會(huì)發(fā)覺(jué)光線在前景星處發(fā)生了偏折現(xiàn)象，也就是說(shuō)前景星的存在產(chǎn)生了類(lèi)似透鏡的作用。1936年，愛(ài)因斯坦根據(jù)相對(duì)論預(yù)測(cè)出星際間會(huì)有這種現(xiàn)象發(fā)生；1986年，帕琴斯基利用這個(gè)原理發(fā)展出偵測(cè)銀河系中暗物質(zhì)的方法。微重力透鏡除了拿來(lái)研究銀河系的結(jié)構(gòu)及暗物質(zhì)外，最近幾年還用來(lái)尋找外太陽(yáng)系行星。如果行星位于所謂的透鏡區(qū)，這時(shí)的行星就扮演著前景星的角色，當(dāng)背景光源經(jīng)過(guò)這一區(qū)域時(shí)，它的微重力透鏡光線會(huì)存在短暫的偏向或異常。這個(gè)技術(shù)還可以根據(jù)背景光源的光線，間接地測(cè)出行星的質(zhì)量及軌道半徑，除此之外，還可以測(cè)出用其他測(cè)量方法都測(cè)不到的昏暗的單、雙星。

盡管外太陽(yáng)系行星最近幾年才被發(fā)現(xiàn)，但天文學(xué)家相信已有10個(gè)或更多的行星系統(tǒng)存在，最顯著的證據(jù)就是在可見(jiàn)光波段環(huán)繞著β Pictoris星的行星盤(pán)。在紅外線波段或在毫米波波段，天文學(xué)家都已經(jīng)通過(guò)星盤(pán)蹤跡氣體分子觀測(cè)到行星盤(pán)的存在。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在所有年輕的太陽(yáng)型恒星中，約有一半顯示出原始行星盤(pán)存在的證據(jù)。這些原始行星盤(pán)在理論上可以產(chǎn)生行星，就像我們的太陽(yáng)系。觀測(cè)到原始行星盤(pán)不只強(qiáng)烈地支持了行星系統(tǒng)應(yīng)該普遍存在的理論，而且為研究行星形成過(guò)程的天文學(xué)家，提供了有關(guān)行星盤(pán)物理性質(zhì)狀態(tài)的寶貴資料。

結(jié)語(yǔ)

外太陽(yáng)系行星形成的機(jī)制究竟是像我們的太陽(yáng)系，抑或是由別種方式產(chǎn)生?是否有生命存在于其他的星球上?為了解決這些謎題，天文學(xué)家開(kāi)始了一連串的探索計(jì)劃。NASA目前打算進(jìn)行兩項(xiàng)極具野心的大計(jì)劃：一項(xiàng)是名為太空干涉儀的實(shí)驗(yàn)，將偵測(cè)紅外線的儀器架設(shè)在地球的大氣層之上，來(lái)找尋太空中更多的其他行星；另一項(xiàng)是“天文生物學(xué)”計(jì)劃，其目標(biāo)是研究宇宙中的生命。對(duì)外太陽(yáng)系行星的探索，為我們帶來(lái)了解答這些謎題的希望。也許在不久的將來(lái)，科學(xué)家就能找出是否存在外星生命的證據(jù)，從而更進(jìn)一步地了解地球生命的起源。