揭秘行星起源之谜银河系中或遍布“小地球”

http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2012-06-18

腾讯科技讯（Everett/编译）据国外媒体报道，科学家近日发现行星形成的新途径：并不需要在类似太阳的恒星周围便可以形成新的行星，这一发现暗示了类地行星形成机制具有多样化的特性，其数量将比我们想象中的要更加丰富。在此之前，宇宙学家认为类地行星基本上形成于恒星周围，随着原始行星盘的演化成熟，富集了大量的铁和硅等元素，为岩质行星的诞生创造了条件。

隶属于美国国家航空航天局的开普勒系外行星探测器与最新的陆基天文观测站通过收集恒星周围的重元素含量分布情况，发现在恒星周围存在分布范围较为广泛的重元素，相对较小的类地行星等岩质天体具有相当多样的形成途径，类似地球这样的星球在我们的银河系中可能普遍存在。

本项研究的科学家来自著名的波尔研究所和哥本哈根大学恒星和行星形成中心，并由波尔研究所的天体物理学家拉斯A.布茨哈弗（Lars A. Buchhave）担任首席科学家，他们调查了超过150个恒星世界，对其中的行星系统进行详细观测，挑选了226颗行星作为研究对象，这些行星都比海王星要小。图中显示的是一个新形成的“太阳系”，中央年轻恒星周围围绕着尘埃和气体，逐渐演化出现了原始行星盘。在原行星盘上分布着大量的岩石碎片和组成各种类型行星的物质，通过不断地碰增大自己的体积，最终形成新的行星。

根据天体物理学家拉斯A.布茨哈弗介绍：“我们想要调查诸如地球这样的小世界形成是否需要一个特殊的空间环境，就像形成巨型气态行星那样，需要特殊的轨道环境以及行星自身的质量，通过对行星行星影响因素的判断可使我们了解到在富含重元素的空间环境中是否具备优先演化出类地行星的可能性。” 研究结果表明体积较小的行星形成并不受到太多空间环境的影响，在恒星周围分布广泛的重元素带上可形成，即便是恒星金属丰度只有太阳的百分之二十五，类似地球这样的行星世界也可以诞生。

天文学家将金属量定义为除了氢元素和氦元素之外的化学元素，这并不意味着除了氢和氦以外的元素都是金属元素，之所以这样定义是因为氢和氦的含量占了绝大多数。同时也用金属丰度来描述一颗恒星的金属含量，如果一颗恒星的“金属含量”百分数比太阳要大，那么这就一颗富金属恒星；与此相反，如果恒星的“金属含量”百分数低于太阳，那么就是一颗贫金属恒星。在新生恒星周围会盘踞着大量气体和尘埃，行星也由此而生，如地球这样的行星几乎完全有铁、氧、硅、镁等元素组成。

因此，一颗恒星的金属丰度直接反应了原行星盘的“金属含量”。此前，天文学家已经发现在许多原行星盘中如果富集了大量的重金属元素，那么形成行星的效率就会非常高。比如，开普勒系外行星探测器所发现的，在多数恒星世界中，巨型气态行星的轨道都非常靠近恒星，具有较短的公转周期，这一现象与恒星周围原行星盘内侧的富集“金属含量”有关。

与巨型气态行星所不同的是，体积较小的岩质行星形成过程并不严重依赖于恒星的重元素含量情况，因此体积上限为四倍于地球的岩质行星对重元素含量的要求并不高，如果恒星金属丰度低于太阳，那么在其周围也一样能形成较小的岩质行星。这项研究结果已经发表在《自然》杂志上。美国国家航空航天局的开普勒系外行星探测器目前已经确定了数千颗系外行星作为候选观测对象。

然而，宇宙中形成体积与地球类似的行星是否需要特殊的空间环境呢？美国国家航空航天局艾姆斯研究中心开普勒系外行星探测器的任务科学家娜塔莉巴塔利亚（Natalie Batalha）认为：“根据探测器的数据表明，体积较小的岩质行星可以在较广的金属丰度范围内形成，很明显宇宙是‘机会主义与多产’的。”

位于加那利群岛拉帕尔马岛上的北欧光学望远镜（NOT）也参与了本项研究，主要通过光谱对系外行星进行光谱分析。其他参与研究的天文台有：亚利桑那州阿玛多霍普金斯山上的弗雷德·劳伦斯·惠普尔天文台，该天文台隶属于史密森天体物理中心，主要进行行星光学与光谱研究；位于洛克山上的麦克唐纳天文台；以及世界上最大的望远镜之一，夏威夷凯克天文台（Keck Observatory）10米径望远镜。

作为本项研究的观测主力为开普勒系外行星探测器，其在2009年3月发射升空，不间断地对超过15万颗恒星进行搜索，通过行星凌日法寻找系外行星，因为当行星凌日时，恒星的光线会发生微小的变化，这就为科学家提供了发现系外行星存在的证据。但使用该方法需要三次对过境行星进行重复验证，才能确认它的确是一颗行星的信号。

在开普勒系外行星探测器确定行星信号后，后续的观测任务由陆基天文台进行，并最终确认其是一颗新发现的系外行星。美国国家航空航天局艾姆斯研究中心负责开普勒系外行星探测器地面系统的开发，任务操作以及科学数据分析。位于加州帕萨迪纳的美国宇航局喷气推进实验室管理开普勒系外行星探测器任务规划。开普勒系外行星探测器同时也是美国国家航空航天局第十个“发现任务”，由于美国宇航局的科学任务局进行资金资助。

本次研究的科学家小组也发现类地行星等岩质行星形成时间比此前认为的要早，在宇宙演化的历史中，可能有着数量庞大的“小地球”。根据哈佛-史密森天体物理的研究人员戴维·拉桑（David Latham）介绍：“本项研究表明了在银河系的演化过程中，几乎在任何时间都可能形成岩质行星，同时还发现了支持行星形成的‘核心吸积’模型，在该模型中原始行星盘上的尘埃会积累在一颗大约一英里直径的岩质小天体上，然后逐渐聚集物质并最终形成行星。”

[腾讯网]

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