【APC科普】太阳系:我们的栖身之所、我们的起源

释放双眼,带上耳机,听听看~!
人类身处的太阳系,有着大大小小的行星、卫星、彗星等天体。而太阳又是银河系内“恒星家族”中非常普通的存在。对此,人们就会产生这样两个疑问:

1.我们的存在是否唯一?如果在天文学领域里,如果问得更具体些,就是:像太阳系一样的行星系统是否在宇宙中普遍存在?

2.我们赖以生存的太阳系,是如何产生的?

 

在人类有能力大规模搜寻系外行星(Exoplanet)之前,这样两个问题是很难得到令人满意的回答,因为没有大量的参照样本,人类对行星系统认知的唯一参照蓝本就是太阳系自身。当然,这两个问题一定程度上也是绑定的,行星系统的形成机制一旦确定,就能反过来预测这样的系统是否普遍存在。历史上,关于“行星形成”有过以下几种理论:
 
第一种理论认为行星的形成和其母恒星有关,在其母恒星形成不久后,其外围有残余的“气体尘埃盘”,行星就是在这个盘面上形成的。这种理论自然就暗示了行星的存在是比较普遍的现象。

还有其他的理论认为行星的形成和恒星形成无关,而是由其他事件触发后形成,比方说“潮汐剥离说”认为行星的形成是两颗恒星近距离互相擦过时,潮汐力将一部分气体从恒星身上“剥”出来,然后这部分被剥出来的气体形成了行星。然而宇宙空间中,即便是银河系这种恒星聚集区域,恒星数密度依旧低到感人,这就意味着“潮汐剥离说”认为行星的存在极其罕见。

 

当然,对于“太阳系这样的行星系统是否普遍存在”这个问题,即便还没有开始搜寻系外行星,人们大多还是会倾向于认为这样的系统是普遍存在的。将“与人类自身相关事物尽最大可能地去特殊化”似乎是近现代科学的偏好,哥白尼革命、柯蒂斯-沙普利之争都是将人类从“最中心、最特殊”的位置驱赶到越来越不起眼的地方。不过,这个就涉及到科哲相关话题,在此不予赘述。

 

得益于开普勒望远镜的发射,2010年以后系外行星就如同雨后春笋一般被大量探测到。截止2019年10月24日,已确认的系外行星有4093颗。从现在的观测数据来看,光是太阳近邻的恒星就能有这么多行星,推算到整个银河系,行星的数量预计有上万亿颗的数量级,而银河系内恒星数量有上千亿颗的数量级,这样一比对,行星的存在自然是很普遍的。

 

NASA EXOPLANET ARCHIVE:

https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/cgi-bin/TblView/nph-tblView?app=ExoTbls&config=planets

 
而关于后者,通行的行星形成理论认为,恒星刚形成后并没有把四周所有的气体和尘埃给吸收进来,这些气体尘埃在恒星的周围形成一个“原行星盘”,行星在这个原行星盘里面从微米大小的颗粒逐渐碰撞“长大”变成几公里尺度大小的星子。由于原行星盘延展范围较大,因此离太阳不同距离处的物质分布也不同。以“雪线”为界的话,雪线以内的星子大多都由岩石构成;而雪线以外的多为岩石-冰混合物。“雪线”以外由于引力俘获区(feeding zone)更大,冰质固体更多,星子的固体内核“生长”极快,当达到一定质量的时候就能快速吸收原行星盘残留的气体,最后变成巨大的气态行星。而“雪线”以内的星子因为引力俘获区小,冰质固体更少使得固体内核质量也小,这样就难以吸积大量气体,通常得等到原行星盘的气体逐渐消散后通过星子之间的碰撞生长,这就意味着其质量增长是非常有限,大气层也十分稀薄。

 

这样的结论最初就是为了力图“还原”出如今太阳系的行星分布状况,即:内侧以固态小质量行星为主;外侧以气态大质量行星为主。不过,自从在1995年第一个“热木星”(质量如同木星一般的气态巨行星但轨道十分靠近母恒星)被发现后,不少“热木星”陆续被发现,这一发现使得原有的行星形成理论受到了一定程度的质疑;另外,柯伊伯带的发现(1992年),似乎昭示着太阳系的具体形成过程远比我们所认为的更加戏剧性。

 

太空美术家笔下的“热木星”51 Pegasi-b(左)及其绕转恒星51 Pegasi(右),这是人类史上发现的第一个“热木星”。

 


恒星与行星系统的演化图像,由于引力作用,弥散在宇宙空间中的气体会塌缩形成恒星,恒星刚形成后四周残余的气体尘埃形成“原行星盘”,行星就会在此形成。当恒星演化晚期会将一部分的物质返还到星际空间,这些残余气体聚集就有可能形成新的恒星。

 


作者:Kon

审核:翛

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