以下文章经许可转载自对话,这是一个报道最新研究的在线出版物。
行星科学正开始赶上科幻小说。自从开普勒太空望远镜于2009年发射以来,已经发现了大量太阳系外的行星,其中有许多奇异的、充满异域情调的世界。开普勒最令人兴奋的发现之一是证明了环双星行星的存在:这些行星围绕两颗恒星运行,而这两颗恒星本身又通过引力束缚在一起,进行着通常是紧密的轨道舞蹈。
卢克·天行者的家乡行星塔图因——由乔治·卢卡斯为《星球大战》系列构想——被设想存在于这种双星系统中。现在,通过计算机模型,布里斯托尔大学的一个团队阐明了这种行星是如何形成的。
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在开始之初
行星科学家普遍认为,行星形成于围绕新生恒星的薄气体盘内。在这个盘内,固体颗粒(被形象地称为“尘埃”)碰撞并逐渐生长成小行星大小的天体。这些被称为星子的天体是行星形成的基本砖块。它们之间进一步的碰撞构建了原行星——岩石状的、地球大小的天体。
在远离中心恒星的地方,水和其他化合物“冻结”并成为固体成分的一部分。越过所谓的“冰线”,原行星可以长得更大,并积聚厚重而巨大的大气层。太阳系中很容易识别出这种靠近中心恒星的小型地球大小行星(水星到火星)和更远处的巨行星(木星到海王星)之间的鲜明分界线。
为了使这个理论奏效,它需要一个不可思议的壮举:从比沙粒小一百多倍的微观尘埃颗粒生长到木星大小的天体。这是一个非常精细的过程,涉及许多物理机制,其中一些机制至今仍知之甚少。
双重麻烦
一个棘手的问题是星子碰撞的阶段。星子需要以惊人的轻柔方式碰撞才能结合在一起;如果撞击速度太快,它们就会碎裂成更小的岩石。高速碰撞区域对于行星形成是贫瘠的,因为不会发生进一步的生长。这就是为什么最近发现环双星行星让天文学理论家们感到惊讶(或者说,有些怀疑)。
很少有环境比双星系统更剧烈。在行星形成的早期阶段,两颗恒星周围强大的引力扰动应该会导致破坏性的碰撞,从而磨碎物质。
然而,迄今为止发现的所有环双星行星都非常靠近它们的母双星运行。事实上,它们如此之近,以至于如果它们再靠近一点,它们的轨道就会变得不稳定,以至于被弹出系统或与其中一颗恒星碰撞。这是因为恒星沿着它们的轨道移动,从不同的方向用它们的引力拉扯和扰动行星。那么,在这个不稳定的区域内,没有行星能够长期生存。
为了更好地理解巨型环双星行星开普勒-34(AB)b的诞生环境,布里斯托尔大学的团队设计了早期形成阶段的复杂计算机模拟。他们的模型发现,在行星当前的位置,星子之间的撞击总是具有灾难性的破坏性。只有远离两颗恒星的引力拉力,我们才能期望碰撞速度足够低,从而发生行星构建。
要解释一颗本不应该能够形成的巨行星的位置,就需要援引一个古老的想法:行星迁移。
在我们的太阳系之外发现的第一颗巨行星,飞马座51b,比水星更靠近我们的太阳运行。这样一颗行星不可能如此靠近它的恒星形成,因为高温会在岩石和冰结合在一起之前消除它们。理论家们很快理解了在这个系统早期历史上发生的事情:这颗行星可能在远离其恒星的地方形成,随后迁移到更靠近它的位置。
那么,情况就变得更加清晰:开普勒-34(AB)b一定是在远离两颗恒星的更宁静的环境中形成的,后来迁移到了它当前的位置。几个计算机模型已经表明,这个想法是可行的,并且与我们的观测结果相符。同样的模型也帮助我们理解了为什么所有发现的环双星行星都相对较小。
这让行星科学家感到困惑,因为通常行星越大,就越容易被探测到。但现在我们知道情况并非如此:我们不会观测到这样的行星,仅仅是因为它们没有在动荡的早期阶段幸存下来。行星迁移的模拟表明,木星大小的环双星行星最终会与恒星的引力场强烈相互作用,并随后被从系统中甩出去。
尽管仍有许多细节需要完善,但这个理论框架似乎与开普勒迄今为止的发现步调一致。但是,未来尚未进行的行星发现注定会让我们感到惊讶。
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