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天文學(xué)家知道恒星和行星都由星際氣體云形成，但仍不清楚具體機(jī)制。

成千上萬(wàn)個(gè)迥異于地球的恒星系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)解構(gòu)了我們對(duì)行星形成的想法。天文學(xué)家正在尋找一個(gè)全新的理論。

20世紀(jì)90年代中期，有一個(gè)理論如此美麗——核心吸積理論。它的美麗在于僅利用一些基本的物理和化學(xué)原理就解釋了太陽(yáng)系的每個(gè)主要特征。它解釋了為何所有的行星都以相同的方向圍繞太陽(yáng)運(yùn)行，為何其軌道幾乎是完美的圓形，為何4個(gè)內(nèi)行星（水星、金星、地球和火星）是主要由巖石和鐵等構(gòu)成的相對(duì)較小的致密體等問(wèn)題。因?yàn)橄嗤奈锢砗吞煳膶W(xué)原理一定適用于整個(gè)宇宙，因此它預(yù)測(cè)，其他恒星周?chē)娜魏蜗低庑行窍到y(tǒng)都大致相同。

20世紀(jì)90年代中期，天文學(xué)家開(kāi)始找到這些系外行星，發(fā)現(xiàn)它們看起來(lái)一點(diǎn)也不像太陽(yáng)系。木星大小的氣體云在很小的軌道上繞恒星運(yùn)行，而根據(jù)該理論，這種情況是不可能存在的。其他系外行星按橢圓軌道運(yùn)行，還有一些環(huán)繞恒星極點(diǎn)運(yùn)行。行星系統(tǒng)似乎可以按不違反物理定律的任意形狀運(yùn)行。

2009年，美國(guó)宇航局（NASA）發(fā)射了探索行星的開(kāi)普勒探測(cè)器，令發(fā)現(xiàn)的系外行星數(shù)量迅速增加至數(shù)千個(gè)，足以令天文學(xué)家獲得關(guān)于其他行星系統(tǒng)的一個(gè)有意義的統(tǒng)計(jì)數(shù)字，并打破人們一貫認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)理論。人們發(fā)現(xiàn)，不僅存在許多系外行星系統(tǒng)與太陽(yáng)系毫不相似，就連最常見(jiàn)的行星類(lèi)型，即大小介于地球和海王星之間的“超級(jí)地球”，也不存在于太陽(yáng)系中。加州大學(xué)圣克魯斯分校天文學(xué)家Gregory Laughlin稱(chēng)，將太陽(yáng)系的行星家族作為模型的方法，“在探索系外行星方面沒(méi)有取得任何成功”。

這樣的結(jié)果引發(fā)了爭(zhēng)議和困惑。天文學(xué)家開(kāi)始嘗試其他想法。加拿大理論天體物理學(xué)研究所的Norm Murray表示，這一領(lǐng)域的當(dāng)前狀態(tài)“并沒(méi)有什么進(jìn)展”，現(xiàn)在無(wú)法解釋一切。麻省理工學(xué)院（MIT）天體物理學(xué)家Kevin Schlaufman對(duì)此表示同意。在研究人員達(dá)成新共識(shí)前，他們還不能理解太陽(yáng)系如何存在于宇宙的大框架中，更別提預(yù)測(cè)可能存在的其他星系了。

行星的產(chǎn)生

在探索總體理論的過(guò)程中，天文學(xué)家認(rèn)為核心吸積理論有正確的部分：星際的氫氣和氦氣云撞擊，直到其核心的密度和溫度足夠燃燒起來(lái)，恒星從而誕生，而行星是恒星誕生時(shí)的殘留物。

其中一些氫氣和氦氣云并未直接成為新生恒星，而是圍繞著它，形成一個(gè)圍繞恒星赤道的薄的平坦圓盤(pán)。這些氣體中帶有一些較重元素的固體顆粒，如碳、氧、硅和鐵。當(dāng)圓盤(pán)冷卻下來(lái)時(shí)，靜電使這些顆粒聚集到一起形成松散的組織，并最終成長(zhǎng)為幾公里直徑的物體，被稱(chēng)為“星子”。然后產(chǎn)生引力作用，這些星子互相碰撞成碎片，又聚合成長(zhǎng)為完整的行星。當(dāng)這一切發(fā)生時(shí)，周?chē)鷼怏w的摩擦使其產(chǎn)生了近圓形的軌道。

核心吸積理論過(guò)程在不同的地點(diǎn)產(chǎn)生了不同的結(jié)果。在中心位置，唯一能從新生恒星的高溫中幸存下來(lái)的是鐵和各種礦物質(zhì)等高熔點(diǎn)物質(zhì)。結(jié)果是產(chǎn)生了一個(gè)巖石—鐵行星的內(nèi)部系統(tǒng)，由于整個(gè)圓盤(pán)的固體物質(zhì)較少，其質(zhì)量和地球差不多或者更小。

然而，在遠(yuǎn)離恒星的位置，圓盤(pán)的溫度足夠低，比鐵和巖石更豐富的冰得以保存，并聚集成星子。當(dāng)星子長(zhǎng)到地球質(zhì)量的10倍時(shí)，它們開(kāi)始吸入周?chē)臍錃夂秃猓⒀杆倬鄯e為像木星和土星一樣的大型氣體星球，質(zhì)量是地球的幾十倍或幾百倍。它們?cè)谖鼉糗壍郎系臍怏w后才會(huì)停止增長(zhǎng)。

奇異的行星

核心吸積理論非常完美地與太陽(yáng)系的情況相匹配。不過(guò)在1995年，瑞士的觀察者報(bào)告發(fā)現(xiàn)了首顆明確的系外行星，而標(biāo)準(zhǔn)模型似乎差了點(diǎn)什么。對(duì)其恒星Pegasi51的精確測(cè)量顯示，行星引力作用產(chǎn)生了微小的反復(fù)變化。數(shù)據(jù)表明，該行星質(zhì)量是地球的150倍，接近木星的一半。這顯然將其歸類(lèi)于大型氣體行星。但該行星以4個(gè)地球日的周期圍繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)，距恒星僅為750萬(wàn)公里，這說(shuō)明該氣體盤(pán)在形成時(shí)周?chē)臏囟冗_(dá)到2000開(kāi)，但該溫度下冰和氣體是不可能存在的?！斑@就好像我們發(fā)現(xiàn)了本不應(yīng)該發(fā)現(xiàn)的東西?！瘪R里蘭大學(xué)天文學(xué)家Derek Richardson說(shuō)。

天文學(xué)家稱(chēng)之為熱木星。他們很快找到了這樣的巨大系外行星的族群，并發(fā)現(xiàn)了其他怪事：WASP-7b圍繞其恒星的兩極運(yùn)轉(zhuǎn)而非赤道；HD80606D的軌道高度橢圓；HAT-P-7b的軌道方向與其恒星的自旋方向相反。

到2000年，天文學(xué)家已經(jīng)找到了30顆系外行星；2008年，該數(shù)字達(dá)到330顆。隨后NASA發(fā)射了開(kāi)普勒尋找系外行星。開(kāi)普勒通過(guò)檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)恒星時(shí)恒星光芒的微弱變化確定行星。與徑向速度技術(shù)相比，這種方式可以找到更小的行星，令天文學(xué)家有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)其他和地球類(lèi)似的行星。開(kāi)普勒目前已經(jīng)找到了974顆系外行星，尚有4254顆正在等待進(jìn)一步的地面測(cè)量確認(rèn)。

開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)的行星在奇怪的系統(tǒng)中運(yùn)行著。例如，開(kāi)普勒-56系統(tǒng)中的兩顆行星分別是地球質(zhì)量的22倍和181倍，都與恒星平面呈45度角運(yùn)行。開(kāi)普勒-36系統(tǒng)中的兩顆行星之間的距離非常近：其運(yùn)行周期分別為14天和16天。其中一顆是巖石行星，比另一顆冰行星的密度高8倍?！八鼈?cè)趺磿?huì)離得那么近？”Richardson問(wèn)道，“而且怎么會(huì)如此不同？”

獨(dú)特的地球

問(wèn)題是如何解釋所有這些行星系統(tǒng)的多樣性。一般情況下，天文學(xué)家會(huì)以標(biāo)準(zhǔn)的核心吸積理論開(kāi)始，再加入那些太陽(yáng)系中沒(méi)有的過(guò)程進(jìn)行分析。超級(jí)地球卻很難解釋。MIT研究系外行星的物理學(xué)家Joshua Winn表示，超級(jí)地球長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有一個(gè)一致的定義?！俺?jí)地球很可能不是典型的鳥(niǎo)，更像是企鵝?！辟e夕法尼亞州立大學(xué)天體物理學(xué)家Eric Ford形容道。

超級(jí)地球的大小需要解釋。標(biāo)準(zhǔn)理論并不能做到，因?yàn)樵诂F(xiàn)有的模型中，恒星盤(pán)的中心區(qū)域包含的物質(zhì)過(guò)少，以至于不能產(chǎn)生接近超級(jí)地球的星球。在加州大學(xué)圣克魯斯分校的Douglas Lin和同事所嘗試的模型中，首先假設(shè)恒星圓盤(pán)的質(zhì)量分布會(huì)因系統(tǒng)的不同而有所不同。之后便是“不斷的遷移”，Lin解釋道，所有類(lèi)型的行星都在圓盤(pán)外部成長(zhǎng)為完整的尺寸，然后再按順序向內(nèi)移動(dòng)。

這種模型很有吸引力，但是遷移的概念卻令研究人員有些遲疑。建模者發(fā)現(xiàn)很難解釋為何遷移的行星會(huì)停止在天文學(xué)家觀測(cè)到的軌道上。Winn稱(chēng)，在模型中，它們并沒(méi)有停止在那樣的位置上。也許最大的問(wèn)題在于為何我們的太陽(yáng)系與其他星系如此不同。為什么它不包含和太陽(yáng)類(lèi)似的恒星周?chē)哪欠N行星？

未來(lái)的觀測(cè)可能會(huì)給出一些答案。開(kāi)普勒的前行一直步履蹣跚，不過(guò)上個(gè)月它被批準(zhǔn)繼續(xù)尋找數(shù)據(jù)。它運(yùn)行的時(shí)間越長(zhǎng)，能觀測(cè)到的系外行星軌道范圍就越大?；诘孛娴奶綔y(cè)計(jì)劃正在開(kāi)始使用改進(jìn)過(guò)的設(shè)備進(jìn)行操作。從2017年開(kāi)始，NASA計(jì)劃的系外凌日行星探測(cè)衛(wèi)星（TESS）將會(huì)探索天空中所有明亮恒星所發(fā)生的行星凌日現(xiàn)象?？赡艿暮蜻x系外行星的范圍也許會(huì)使天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)像太陽(yáng)系一樣的星系。

與此同時(shí)，研究人員繼續(xù)發(fā)展著他們混亂的模型。Murray指出，如果當(dāng)前的理論與現(xiàn)實(shí)脫節(jié)了，不再美麗，那也是科學(xué)界情理之中的事情。