自由世界:数十亿颗恒星外的行星天体可能在银河系中漂流

什么时候行星不是行星?一项新的研究声称,银河系中充满了不围绕任何恒星运行的木星质量的天体


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冥王星,请让开。这个饱受争议的世界在过去几年里一直是关于如何定义行星的辩论中心。现在,又有一批新的天文物体出现,使问题更加复杂。

冥王星问题于 2006 年正式解决,当时国际天文联合会(IAU)将冥王星及其微小的同类降级为矮行星。(然而,对话并没有停止;最近出版的许多关于冥王星的书籍中,包括《为冥王星辩护》和《我如何杀死冥王星以及它为什么活该》。)

在太阳系之外,这个问题不太明确——如何区分恒星和棕矮星?棕矮星是一种未能形成恒星的“失败恒星”,其质量不足以在核聚变反应中燃烧氢。如何区分棕矮星和行星?现在,最令人困惑的是,如何称呼一个似乎太小而不能被认为是行星,但却在星际空间中自由漂浮而不是围绕恒星运行的天体?一项新的研究得出结论,这种天体在银河系中数量众多,甚至可能比普通恒星更多。

两个天文合作组织在 5 月 19 日的《自然》杂志上报告说,他们已经发现了 10 个天体,每个天体的质量都与木星相当,没有可探测到的宿主恒星。(《大众科学》是自然出版集团的一部分。)通过外推,来自天体物理学中的微引力透镜观测(MOA)合作组织和光学引力透镜实验(OGLE)合作组织的研究作者计算出,银河系中这种天体的数量应该是恒星的两倍。一些新发现的天体可能只是在距离其宿主恒星很远的地方绕着恒星运行,以至于其宿主恒星不明显,但研究人员估计,其中大多数确实是自由漂浮的。

“这是一个非常了不起的主张,”欧洲航天局的天文学家马克·麦克考根说。毫无疑问,它将受到仔细审查。但如果解释证明是正确的,那么未来的 NASA 任务可能会发现大量此类自由漂浮的物体。该研究的合著者、日本大阪大学的须弥隆弘(Takahiro Sumi),MOA 小组的成员,说一个名为 宽视场红外巡天望远镜(WFIRST)的计划中的空间天文台应该能够发现 1000 个此类物体。

其他研究人员对这项研究表示谨慎的兴奋。“这是一个非常令人兴奋的发现,但仍需要其他团队、其他技术、更多统计数据等来证实,”德国海德堡大学的约阿希姆·万布斯甘斯说,他在《自然》杂志上发表了一篇评论,对这项研究进行了补充。“这些类行星天体确实漂浮在星系中,而不是简单地松散地束缚在恒星上,这是合理的,”万布斯甘斯说。“我不会说它已经得到证实。我不会为此赌上我的房子,让我这样说,但这很有说服力。”

宏观物体的微透镜
MOA 和 OGLE 在夜空中寻找 所谓的微透镜事件。当一个偶然的对准将一个否则看不见的天体置于地球和一颗遥远的背景恒星之间时,就会发生微透镜效应。天体的质量会弯曲来自背景恒星的光线,像放大镜一样将光线聚焦到地球,使背景恒星看起来暂时更亮。这些事件很少发生,因此微透镜搜索会长时间监测大量恒星;这项新发现来自 MOA 在 2006 年和 2007 年对 5000 万颗恒星的调查。

微透镜事件的持续时间表明充当透镜的天体的质量。MOA 小组发现了 10 个持续时间不到两天的微透镜事件,这表明透镜的质量最多是木星质量的几倍。独立的 OGLE 小组也大致证实了这一发现。但是,没有一个天体伴随着更强的透镜信号,表明附近有质量更大的宿主恒星。因此,这些天体要么独自在星系中漂流,要么在很远的地方围绕恒星运行。但是,这些天体的数量似乎远远超过了远轨道行星可以解释的数量,也远远超过了非常轻的恒星或棕矮星可以解释的数量。

研究人员推测,这些新发现的天体可能是在相对普通的行星系统中形成的,然后与兄弟行星进行引力拔河比赛失败,并被从其诞生地抛出。“这意味着恒星形成必须产生许多被从恒星中抛出的行星,”德国波恩大学的帕维尔·克鲁帕说。克鲁帕说,这些喷射甚至可能是由附近的恒星扰乱行星系统引起的。“显然,任何恒星形成理论都需要解释这一类自由漂浮的行星质量天体,”他补充道。

行星还是矮星?
之前也发现过行星质量范围内的自由漂浮天体,但它们位于星系的恒星形成区域,并且比新发现的天体稍微重一些。这导致一些天文学家认为它们更像轻型棕矮星而不是行星——也就是说,它们可能是自己形成的,而不是在更大的母体周围的轨道上形成的。但是,新发现的天体似乎牢固地处于行星质量范围内,并且似乎遍布星系,而不是局限于恒星和诸如棕矮星之类的失败恒星正在诞生的区域。

至于如何称呼这些新发现的天体,万布斯甘斯赞成简洁。“我认为最直观的名称是‘自由漂浮行星’,但如果我们决定采用这个名称,那么我们就必须放弃我们对行星的定义之一,”他说。“自由漂浮行星是一个矛盾,因为行星的定义是束缚在一个围绕恒星的轨道上。”

这种矛盾无疑会引发争议——麦克考根称新研究中出现一次的“自由漂浮行星”一词“像一头公牛看到一块红布”。麦克考根说,即使是更保守的“自由漂浮的行星质量天体”也可能具有误导性。“对我来说,这仍然有点相当于把吉娃娃犬称为‘猫质量物体’,”他说。

须弥预测,他和同事们的新发现将在国际天文联合会引发讨论,就像 2006 年导致冥王星降级的辩论一样。“我认为人们还没有认真考虑过这个问题,因为到目前为止,这些物体的证据很少,”他说。那么,须弥的看法是什么?如果一个天体的形成方式与其他任何行星一样,他和他的同事怀疑他们新发现的天体就是这种情况,那么他说“自然应该称它为行星”。

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