http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2014-07-28
行星形成的具体机制引发科学家争议和困惑
天文学家知道恒星和行星都由星际气体云形成，但仍不清楚具体机制。图片来源：Jasiek Krzysztofiak
成千上万个迥异于地球的恒星系统的发现解构了我们对行星形成的想法。天文学家正在寻找一个全新的理论。
20世纪90年代中期，有一个理论如此美丽——核心吸积理论。它的美丽在于仅利用一些基本的物理和化学原理就解释了太阳系的每个主要特征。它解释了为何所有的行星都以相同的方向围绕太阳运行，为何其轨道几乎是完美的圆形，为何4个内行星（水星、金星、地球和火星）是主要由岩石和铁等构成的相对较小的致密体等问题。因为相同的物理和天文学原理一定适用于整个宇宙，因此它预测，其他恒星周围的任何系外行星系统都大致相同。
20世纪90年代中期，天文学家开始找到这些系外行星，发现它们看起来一点也不像太阳系。木星大小的气体云在很小的轨道上绕恒星运行，而根据该理论，这种情况是不可能存在的。其他系外行星按椭圆轨道运行，还有一些环绕恒星极点运行。行星系统似乎可以按不违反物理定律的任意形状运行。
2009年，美国宇航局（NASA）发射了探索行星的开普勒探测器，令发现的系外行星数量迅速增加至数千个，足以令天文学家获得关于其他行星系统的一个有意义的统计数字，并打破人们一贯认可的标准理论。人们发现，不仅存在许多系外行星系统与太阳系毫不相似，就连最常见的行星类型，即大小介于地球和海王星之间的“超级地球”，也不存在于太阳系中。加州大学圣克鲁斯分校天文学家Gregory Laughlin称，将太阳系的行星家族作为模型的方法，“在探索系外行星方面没有取得任何成功”。
这样的结果引发了争议和困惑。天文学家开始尝试其他想法。加拿大理论天体物理学研究所的Norm Murray表示，这一领域的当前状态“并没有什么进展”，现在无法解释一切。麻省理工学院（MIT）天体物理学家Kevin Schlaufman对此表示同意。在研究人员达成新共识前，他们还不能理解太阳系如何存在于宇宙的大框架中，更别提预测可能存在的其他星系了。
行星的产生
在探索总体理论的过程中，天文学家认为核心吸积理论有正确的部分：星际的氢气和氦气云撞击，直到其核心的密度和温度足够燃烧起来，恒星从而诞生，而行星是恒星诞生时的残留物。
其中一些氢气和氦气云并未直接成为新生恒星，而是围绕着它，形成一个围绕恒星赤道的薄的平坦圆盘。这些气体中带有一些较重元素的固体颗粒，如碳、氧、硅和铁。当圆盘冷却下来时，静电使这些颗粒聚集到一起形成松散的组织，并最终成长为几公里直径的物体，被称为“星子”。然后产生引力作用，这些星子互相碰撞成碎片，又聚合成长为完整的行星。当这一切发生时，周围气体的摩擦使其产生了近圆形的轨道。
核心吸积理论过程在不同的地点产生了不同的结果。在中心位置，唯一能从新生恒星的高温中幸存下来的是铁和各种矿物质等高熔点物质。结果是产生了一个岩石—铁行星的内部系统，由于整个圆盘的固体物质较少，其质量和地球差不多或者更小。
然而，在远离恒星的位置，圆盘的温度足够低，比铁和岩石更丰富的冰得以保存，并聚集成星子。当星子长到地球质量的10倍时，它们开始吸入周围的氢气和氦气，并迅速聚积为像木星和土星一样的大型气体星球，质量是地球的几十倍或几百倍。它们在吸净轨道上的气体后才会停止增长。
奇异的行星
核心吸积理论非常完美地与太阳系的情况相匹配。不过在1995年，瑞士的观察者报告发现了首颗明确的系外行星，而标准模型似乎差了点什么。对其恒星Pegasi51的精确测量显示，行星引力作用产生了微小的反复变化。数据表明，该行星质量是地球的150倍，接近木星的一半。这显然将其归类于大型气体行星。但该行星以4个地球日的周期围绕恒星运转，距恒星仅为750万公里，这说明该气体盘在形成时周围的温度达到2000开，但该温度下冰和气体是不可能存在的。“这就好像我们发现了本不应该发现的东西。”马里兰大学天文学家Derek Richardson说。
天文学家称之为热木星。他们很快找到了这样的巨大系外行星的族群，并发现了其他怪事：WASP-7b围绕其恒星的两极运转而非赤道；HD80606D的轨道高度椭圆；HAT-P-7b的轨道方向与其恒星的自旋方向相反。
到2000年，天文学家已经找到了30颗系外行星；2008年，该数字达到330颗。随后NASA发射了开普勒寻找系外行星。开普勒通过检测物体经过恒星时恒星光芒的微弱变化确定行星。与径向速度技术相比，这种方式可以找到更小的行星，令天文学家有机会发现其他和地球类似的行星。开普勒目前已经找到了974颗系外行星，尚有4254颗正在等待进一步的地面测量确认。
开普勒发现的行星在奇怪的系统中运行着。例如，开普勒-56系统中的两颗行星分别是地球质量的22倍和181倍，都与恒星平面呈45度角运行。开普勒-36系统中的两颗行星之间的距离非常近：其运行周期分别为14天和16天。其中一颗是岩石行星，比另一颗冰行星的密度高8倍。“它们怎么会离得那么近？”Richardson问道，“而且怎么会如此不同？”
独特的地球
问题是如何解释所有这些行星系统的多样性。一般情况下，天文学家会以标准的核心吸积理论开始，再加入那些太阳系中没有的过程进行分析。超级地球却很难解释。MIT研究系外行星的物理学家Joshua Winn表示，超级地球长期以来没有一个一致的定义。“超级地球很可能不是典型的鸟，更像是企鹅。”宾夕法尼亚州立大学天体物理学家Eric Ford形容道。
超级地球的大小需要解释。标准理论并不能做到，因为在现有的模型中，恒星盘的中心区域包含的物质过少，以至于不能产生接近超级地球的星球。在加州大学圣克鲁斯分校的Douglas Lin和同事所尝试的模型中，首先假设恒星圆盘的质量分布会因系统的不同而有所不同。之后便是“不断的迁移”，Lin解释道，所有类型的行星都在圆盘外部成长为完整的尺寸，然后再按顺序向内移动。
这种模型很有吸引力，但是迁移的概念却令研究人员有些迟疑。建模者发现很难解释为何迁移的行星会停止在天文学家观测到的轨道上。Winn称，在模型中，它们并没有停止在那样的位置上。也许最大的问题在于为何我们的太阳系与其他星系如此不同。为什么它不包含和太阳类似的恒星周围的那种行星？
未来的观测可能会给出一些答案。开普勒的前行一直步履蹒跚，不过上个月它被批准继续寻找数据。它运行的时间越长，能观测到的系外行星轨道范围就越大。基于地面的探测计划正在开始使用改进过的设备进行操作。从2017年开始，NASA计划的系外凌日行星探测卫星（TESS）将会探索天空中所有明亮恒星所发生的行星凌日现象。可能的候选系外行星的范围也许会使天文学家发现像太阳系一样的星系。
与此同时，研究人员继续发展着他们混乱的模型。Murray指出，如果当前的理论与现实脱节了，不再美丽，那也是科学界情理之中的事情。（张冬冬）
《中国科学报》 (2014-07-09 第3版 国际)
[凤凰网-中国科学报]
哈勃发现系外行星比预想更干燥 或挑战现有理论
艺术示意图：位于飞马座的系外行星HD 209458b。让天文学家们倍感意外的是，这些系外行星的大气含水量似乎远低于理论预期
新浪科技讯 北京时间7月28日消息，据美国宇航局网站报道，借助美国宇航局的哈勃空间望远镜，天文学家们在一些系外行星的大气层中搜寻水汽存在的线索，这些系外行星都围绕与我们太阳相类似的恒星运行，研究的结果发现这些行星的大气比原先预想的更加干燥。
此次进行研究的三颗系外行星分别是HD 189733b, HD 209458b以及WASP-12b，它们到地球的距离大约在60~900光年之间。科学家们选中这几颗行星来搜寻其大气中的水汽，是因为这些行星的温度较高，水分容易蒸发形成大量弥漫在大气中的水汽，从而可以被从远处探测到。
这些行星被归入所谓的“热木星”一类，这类行星距离它们的恒星很近，因此其温度也就非常高，常常可以达到1500~4000华氏度(≈800~2200摄氏度)。然而观测却显示，这些行星上的水含量仅有按照标准行星形成理论模型预测水平的1/10~1/100。
英国剑桥大学天文研究院的尼库·马胡苏丹(Nikku Madhusudhan )表示：“我们对其中一颗行星，HD 209458b进行的水汽测量是迄今对一颗太阳系外行星进行的化学成分方面精度最高的测量。因此现在我们可以比以往任何时候都更加有信心的说，我们在系外行星上探测到了水的存在。然而我们对于探测到的水量竟然如此之少而感到震惊。”
马胡苏丹是这项研究的第一作者，他表示，这项研究的结果对于现有系外行星形成理论提出了挑战。他说：“基本上它完全打乱了现有的行星形成理论。我们原先认为这些行星上应该都存在较多的水。但现在看来我们可能将需要重新评估巨行星，尤其是那些所谓‘热木星’的形成以及迁移模型，并重新思考它们究竟是如何形成的。”
他强调表示这一研究结果在未来搜寻潜在系外类地行星上水分的过程中或将具有重要的指导意义。而如果这些系外行星上水分的含量低于预期，那么未来空间望远镜上搭载的相应科学设备的灵敏度也就必须更高才行。马胡苏丹表示：“当我们队那些所谓‘超级地球’进行观测时，必须有心理准备，这些行星的含水量可能远低于预期。”所谓超级地球是指那些质量约为地球数倍的岩石固体行星体。
借助由哈勃空间望远镜获得的这几颗行星的近红外波段数据，马胡苏丹和同事们测算出与数据结果相吻合的大气含水量数值。
之所以选择这些行星，还有一个考虑是这些行星围绕较为明亮的恒星运行，这样的恒星可以产生足够强大的辐射，从而使得红外波段的光谱观测得以进行。哈勃望远镜加上光谱仪设备，可以捕捉到在这些系外行星大气背景上叠加的水汽吸收信号。
在地面进行这样的观测则几乎是无法做到的，因为地球本身的大气中也存在大量水汽，这将影响观测的结果。正如来自加拿大多伦多大学的合作研究者尼古拉斯·格罗泽特(Nicolas Crouzet)所言：“我们的确需要像哈勃空间望远镜这样的设备来开展这些观测。”
目前被最为广泛接受的有关太阳系巨行星形成的机制被称为“核吸积模型”，其认为是早期围绕年轻太阳运行的原行星盘中逐渐演化形成了行星体，这些盘面的主要成分是尘埃，气体，水冰以及其他化学元素。在围绕恒星运转的过程中，尘埃相互撞击，粘合，不断形成越来越大的颗粒。慢慢的，这些颗粒越来越大，最终形成固体的原始行星核。此时聚合过程进一步加快，在形成的固体内核基础上吸引了大量周围的氢气和氦气物质，最终形成了今天所见的气态巨行星。
根据这一理论，相比较太阳而言，在行星内部不同的化学元素比值会发生变化，某些元素，尤其是氧，会发生富集。而一旦巨行星形成，其大气中的氧预计将大部分形成水分子。而此次研究结果显示出乎意料的低水含量则为这一切打上了一个大大的问号。
美国马里兰大学的德雷克·戴明(Drake Deming)是这项研究的负责人之一。他表示：“关于系外行星，我们仍然有着太多的未知。但这也打开了我们理解行星与恒星形成机制的崭新窗口。”他说：“问题就在于我们假定了在那些星系中水的丰度应当与我们太阳系相当。而我们的研究则显示了，在这类行星上水的丰度信号也有可能会比预想弱的多。”有关这一研究的论文已经发表在7月24日出版的《天体物理学报》上。
哈勃空间望远镜是一项美国宇航局(NASA)以及欧洲空间局(ESA)之间的合作项目。位于马里兰州的美国宇航局戈达德空间飞行中心负责望远镜的管理工作，而位于巴尔的摩的空间望远镜研究所(STScI)负责望远镜的日常科学运作。(晨风)
[新浪网]
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[光明网-中国科学报]
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近日，国际空间科学研究所北京分部（以下简称ISSI-BJ）在中科院国家空间科学中心正式挂牌成立。该机构由国际空间科学研究所与中科院国家空间科学中心联合成立，中科院国家空间科学中心主任吴季研究员出任ISSI-BJ理事会主席。
作为国际空间科学研究所批准设立的唯一分支机构，ISSI-BJ将通过组织和支持国内外空间科学领域科学家，对空间任务、地面观测和实验室科学数据及结果进行融合与深度挖掘；分析、探讨空间科学领域学科前沿，为未来国际合作提供建议；接受国内外空间科学研究机构的委托，对未来空间科学计划的科学问题进行研讨，提供独立论证意见，保证空间科学计划的独创性和先进性。
据记者了解，ISSI-BJ得到了中科院国际合作局与空间科学先导专项的支持。ISSI-BJ成立后，将首批支持一个国际团队研究，并开展以中科院空间科学先导专项四个背景型号项目的科学目标为主题的国际研讨和深入论证。
国际空间科学研究所成立于1995年，总部设在瑞士伯尔尼，得到欧洲空间局、瑞士联邦政府和俄罗斯科学院等的资助，开展包括太阳与空间物理、行星科学、天体物理与宇宙学、空间地球科学与空间生物学等方向的研究，其研究成果系列丛书具有很高影响力。（记者陆琦）
[人民网-中国科学报]
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