三大宇宙谜团——第一部分

本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映的是作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点

尽管取得了显著的成就（以及任何相反的说法），但在许多方面，我们仍然对宇宙的本质及其内容知之甚少。这可能看起来令人沮丧，但我认为这非常令人兴奋——人类的智慧有如此多的东西需要研究和尝试理解，有如此多的乐趣可以享受，有如此多的敬畏之情可以探索！

为了给北半球的夏季带来一点刺激，我挑选了三个谜题，分别在本篇和接下来的两篇文章中讨论。这些当然不是科学界唯一的难题——但它们是适合在阳光下发呆时思考的好素材。

第一部分：行星系统

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是的，就是普通的行星。

系外行星科学的现状有一种绝妙的讽刺意味。一方面，在过去的20年里，我们见证了围绕其他恒星的世界的发现方面发生了不可否认的革命。行星不仅像宇宙尘埃一样普遍，而且在大小、可能的组成和轨道构型方面也千差万别。

然而，在所有这些变化之中——证实了行星形成的高度随机性，从轨道动力学的非线性到行星不可预测的碰撞历史——大多数行星系统看起来根本不像我们的太阳系。即使考虑到我们探测方法的偏差，拥有像木星和土星那样配置的气态巨行星，以及像我们太阳系这样大小和间距的内行星的世界，也并不常见。

我们星系中的大多数恒星似乎都拥有行星。但是大多数恒星也拥有许多小型和中等大小的行星，它们的轨道都可以在水星轨道内整齐地排列——周期不到100个地球日。事实上，大约50%的类太阳恒星拥有质量在地球质量和地球质量的50倍之间的行星，它们的轨道周期不超过几个月。

此外，我们太阳系中的宇宙化学证据（来自陨石和行星）表明，原始固体天体形成得非常早——大约在46亿年前。相比之下，类地行星的形成直到大约1亿到2亿年后才完成。这本来不会太令人费解，但目前的超级地球系外行星的数据表明，许多行星都拥有巨大的气体大气层（主要是氢气和氦气）。这些大气层必定是在其系统形成的早期，在气体消散之前，就被已经形成的岩石行星捕获了——就像在我们的太阳系中，在其历史的1亿年内气体就必须消散一样。

换句话说，我们的类地系外行星表亲似乎在其系统的时间线上形成得比地球、火星、金星或水星更早。在我们的婴儿太阳系中，一定发生了某种事情，阻止或消除了大量近距离轨道运行但体积可观的行星。

为了帮助解释这种情况，提出的想法之一是所谓的木星大冲撞假说。在这种设想中，年轻的木星向内迁移到离太阳约1.5天文单位的位置，然后在与土星捕获轨道平均运动共振后向外（“冲撞”）。木星的向内俯冲可能扰乱了早期一批近距离轨道运行的行星，导致它们在碰撞和合并中自行整理，而这至少需要再花费1亿年的时间才能完成。

最重要的是，太阳系似乎并不典型，甚至可能非常不寻常。这不仅挑战了我们目前关于行星形成的模型（这些模型严重依赖于来自我们的行星、卫星、小行星和其他原始天体的本地证据），而且还提出了一个棘手的问题，即这里生命的存​​在是否与我们整个太阳系的特殊性直接相关。

答案是什么？我们尚不清楚，但也许答案在于观察其他年轻行星系统中发生的类似情景——由ALMA等天文台捕获。