在虚空中游荡,数十亿颗没有归宿的流浪行星

新的研究结果表明,自由漂浮的巨行星比之前认为的要少见,但也暗示存在大量较小的流浪世界

艺术家描绘的木星大小的流浪行星,在没有母恒星的情况下,自由漂浮在星际空间。

并非所有的行星都有归宿。几十年来,天文学家和科幻小说作家都在推测,那些从母恒星漂流出来的孤儿天体,在浩瀚的星际空间中无休止地游荡。大多数理论家认为,在行星系统早期混乱的动荡时期,当紧密排列的世界围绕恒星旋转时,这种喷射现象应该非常普遍,它们会像台球撞击一样相互散射。研究这些遥远的行星游牧者的属性——它们的数量、质量和轨迹——可以让科学家们重建这些天体模糊的起源,并窥探行星系统形成的关键阶段,而这一阶段在其他方面对我们来说基本上是隐藏的。

关于行星游牧者群体的确凿证据一直难以捉摸——这些黑暗世界在虚空中寒冷而无光地漂浮,任何可以想象的望远镜都无法直接观测到它们。然而,极少数情况下,它们可能会从遥远的背景恒星前方经过,当行星的引力场充当放大镜时,会产生可探测到的光线闪烁。这种“引力微透镜”事件的持续时间和强度不仅可以揭示流浪行星的存在,还可以揭示其质量,因为较大的天体往往会对背景恒星的光线产生更长、更强的放大作用。例如,据估计,一颗典型的自由漂浮的木星质量行星会产生持续一到几天的放大作用。一颗较小的、地球大小的天体可能只会放大恒星几个小时。

要从遥远恒星看似简单的亮度增加中提取流浪行星的基本细节,需要进行大量的计算和一系列复杂的假设。但专家们普遍认为这是可以做到的——因此,世界各地的一些天文望远镜调查现在每晚都在监测数亿颗太阳,以寻找这些天体,逐渐从偶然的宇宙排列的明显闪烁中,对银河系中最孤独的世界进行总体普查。


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该普查的最新结果于周一发表在《自然》杂志上,结果来自波兰的光学引力透镜实验(OGLE),这是一个位于智利的1.3米望远镜。基于对来自约5000万颗恒星的六年观测中提取的2600多个微透镜事件的统计分析,OGLE团队估计,银河系中大约每四颗恒星就可能有一颗木星质量的流浪行星。这一结果与主要的行星形成理论和其他行星系统的常规观测结果非常吻合,并且似乎驳斥了来自竞争团队的先前最佳猜测,该猜测估计流浪木星大约是恒星的两倍。(对于地球人来说,这两个结果都不是什么值得担心的——太空是如此巨大,以至于流浪行星漂移到足够靠近我们的太阳系以造成伤害的几率,嗯,低得天文数字。)

“我们新的微透镜观测结果与自由漂浮木星频率的理论预期以及恒星形成区域中行星质量天体的红外调查结果一致,”OGLE论文的主要作者、波兰华沙大学天文台的天文学家Przemek Mróz说。“我们发现木星质量的行星至少比之前认为的要少10倍。”

当2011年《自然》杂志论文发表了来自天体物理学微透镜观测(MOA)调查的早期估计结果时,巨型流浪行星的数量是恒星的两倍,这在天文学界引起了轩然大波。MOA调查使用了位于新西兰的1.8米望远镜。“微透镜领域的我们很少有人相信最初的MOA结果,仅仅是因为它们太难与其他观测结果和理论相调和,”俄亥俄州立大学的天文学家Scott Gaudi说。“但很难知道是什么原因导致了明显的事件过剩。”

加州大学圣克鲁兹分校的行星形成理论家Douglas Lin说,MOA结果的令人费解之处可以通过想象木星大小的行星有点像相扑摔跤手来理解。“木星可以很容易地弹出较小的行星,就像相扑手可以将婴儿扔出擂台一样。但是相扑手很难将另一个相扑手扔出去,”他说。“MOA结果的问题在于,他们声称不仅看到很多大相扑手被扔出去,而且被扔出去的相扑手比你看到的留在后面的还要多!”

为了解释MOA的结果,一些理论家猜测,许多所谓的流浪巨行星实际上是自由漂浮的失败恒星,称为褐矮星——介于行星和太阳之间模糊界线上的中间天体。或者,更可能的是,MOA的自由漂浮物实际上可能是与恒星绑定的普通巨行星,尽管轨道非常宽阔。Lin和其他人也开始考虑更奇特的想法,设想双星系统可能以某种方式成为制造巨行星并将它们甩遍宇宙的工厂。

其他人则简单地将令人惊讶的结果归因于从极少数事件中进行的广泛统计外推,或者归因于MOA调查的观测和分析中的系统性弱点,而2011年论文的作者未能考虑到这些弱点。(应该指出的是,这些作者包括OGLE团队的一些成员,他们当时使用了来自OGLE的少量数据点来支持MOA结果。然而,OGLE团队表示,在升级提高了完整OGLE数据集的质量和灵敏度之后,其调查早期对MOA结果的支持逐渐消失。)

美国国家航空航天局高级研究科学家、MOA论文的合著者David Bennett坚持2011年的结果。他认为,MOA与OGLE的差异可能是由于两个调查在收集和分析观测结果方面的程序差异造成的——例如,OGLE在其分析中可能将“褐矮星”视为“褐矮星”,而MOA可能将其定义为“巨行星”,并且每个调查都从不同的天空区域收集数据。“数据本身,”Bennett说,“可能比解释更一致。”

关于微透镜结果的此类争论很可能在不久的将来会越来越多,这主要是由于OGLE提出的另一项新主张,该主张在潜在争议方面可与2011年MOA的结果相媲美。在其最新结果中,OGLE团队报告说,不仅看到了相对较少的自由漂浮木星,而且还暗示存在大量的较小天体。在OGLE团队观察和分析的2600多个微透镜事件中,有6个是“超短”的,持续时间不到半天——这表明它们是由质量在地球质量的1到10倍之间的天体引起的。

天文学家已经预测到这些天体几十年了。在Lin的比喻中,它们将是胚胎行星系统中木星大小的“相扑手”弹出的“婴儿”。有些人甚至推测,这些微小的流亡者可能是适宜居住的,拥有地下海洋,这些海洋通过放射性元素的衰变保持温暖和液态,并被冰壳或厚厚的富氢大气层所保护。无论是否适宜居住,迄今为止,这类自由漂浮世界的存在证据充其量仍然是间接的,因为它们的微透镜效应非常短暂且难以看到。专家——包括OGLE团队的成员——对该调查声称探测到此类低质量微透镜世界持谨慎态度。“因为我们对如此短暂事件的敏感性非常低,所以自由漂浮的地球应该非常普遍,甚至可能比恒星更频繁。但由于探测到的数量很少,我们无法提供精确的数字,”Mróz说。“我们只是非常谨慎地提出,六个[超短]事件可能是由低质量类地行星引起的微透镜。这是为了鼓励进一步研究此类天体,而不是做出强有力的声明。”

来自其他微透镜项目的结果可能会在未来几年证实或驳斥OGLE的主张。MOA调查仍在进行中,据Bennett称,该团队目前正在组装对其最新数据的新的分析,该分析最早可能在明年发布。另一个调查,韩国微透镜望远镜网络(KMTNet),尤其有希望,因为它依赖于三个地理分布的观测站,而不仅仅是一个,从而可以更长时间地监测目标星场,否则由于地球自转,目标星场的监测时间将限制在不超过10小时。哈佛-史密森天体物理学中心的KMTNet团队成员Jennifer Yee说,更长时间的监测将使检测流浪地球的信号更容易,并区分它们与恒星耀斑等混淆效应,恒星耀斑可以模仿超短微透镜事件。

最终,自由漂浮世界的普查——以及关于外层黑暗中究竟潜伏着什么挥之不去的问题——将由太空中的天文台完成,这些天文台摆脱了地球自转和天气等世俗限制。美国国家航空航天局的广域红外巡天望远镜(WFIRST)是一种具有全景视野的超级哈勃望远镜,计划于2020年代中期发射,并将密集微透镜巡天作为其主要科学目标之一。该望远镜的来源很复杂,但其起源之一在于MOA的坚定捍卫者David Bennett在2000年代首次向NASA提出的提案。

“如果你想了解其他行星上生命的可能性,仅仅找到一颗与地球大小和轨道相同的行星并试图研究它是不够的,”Bennett说。“有很多因素会影响行星的宜居性——它的大气层、它的历史、它的含水量——而这些因素都可以追溯到它形成的细节……如果我们真的想寻找生命,我们需要了解行星形成过程中涉及的过程,其中一些过程可能会喷射行星并使其自由漂浮。”WFIRST的微透镜研究有望做到这一点。

Lee Billings is a science journalist specializing in astronomy, physics, planetary science, and spaceflight, and is a senior editor at 大众科学. He is the author of a critically acclaimed book, Five Billion Years of Solitude: the Search for Life Among the Stars, which in 2014 won a Science Communication Award from the American Institute of Physics. In addition to his work for 大众科学, Billings's writing has appeared in the New York Times, the Wall Street Journal, the Boston Globe, Wired, New Scientist, Popular Science, and many other publications. A dynamic public speaker, Billings has given invited talks for NASA's Jet Propulsion Laboratory and Google, and has served as M.C. for events held by National Geographic, the Breakthrough Prize Foundation, Pioneer Works, and various other organizations.

Billings joined 大众科学 in 2014, and previously worked as a staff editor at SEED magazine. He holds a B.A. in journalism from the University of Minnesota.

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