克卜勒公布更多行星,突顯太陽系古怪異常

克卜勒望遠鏡發現了數千顆太陽系外行星，還有數千顆有待進一步證實。這幅藝術想像圖就描繪了克卜勒-42，一個由3顆類似地球的行星構成的行星系統。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

（艾麥樂/編譯）這條消息很酷，真的：天文學家公布了一份太陽系外行星的新目錄，收錄了由克卜勒望遠鏡發現的繞著其他恆星旋轉的行星，總共包括2335顆已被證實的行星，還有1700多顆有待證實。這其中有30顆地球大小的行星已被證實，在各自恆星的宜居帶內公轉，另外還有20多顆這樣的行星等待證實！

這份新的名錄增加了219顆新的行星備選者，其中有10顆大小與地球類似。

不過，科學上更有趣的消息是：天文學家發現，直徑介於地球的1.5倍到2.5倍之間的行星，數量明顯偏少。恆星似乎喜歡製造不到1.5倍地球直徑的行星，然後就一下子跳到了2.5倍地球大小。這是為什麼？又為什麼在我們的太陽系裡找不到這樣的行星？

在討論這個問題之前，我們先來介紹一些背景知識，這樣你才能明白科學家在說些什麼。

克卜勒望遠鏡

克卜勒望遠鏡是一座空間天文臺，被設計用來緊盯著天空中的一塊天區不放，持續監測其中大約150 000顆恆星的亮度。科學家的想法是：如果一顆恆星擁有行星，而且從地球上看過去行星的公轉軌道側對著我們的視線，那麼只要這顆行星從恆星前方經過，遮擋住一部分星光，我們就將看見恆星亮度出現短時變暗的現象。這就好像一場微型日食，被稱為凌星。

克卜勒望遠鏡通過持續不斷地監測150 000顆恆星的亮度，來發現太陽系外的行星所產生的凌星現象。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

真正找到行星，還要花上一段時間才行，因為你不只要等行星發生凌星現象，還要等凌星現象一而再、再而三地發生。恆星亮度的單次短時變暗，可能源於各式各樣的原因，比如恆星黑子（類似於太陽黑子，只不過出現在其他恆星上），或者視場中的其他恆星影響了亮度測量結果。第二次出現短時變暗，才有可能真是系外行星，而且或許透露了這顆行星上「一年」的時長（一次凌星後，行星繞著恆星轉一整圈，再次發生凌星）。然而，只有等到第3次出現短時變暗，而且在時間間隔上跟前一次對應得上（換句話說，這顆系外行星又繞了恆星一圈），科學家才會有足夠的信心。至此，你才能確信找到了一顆行星。

隨著時間的推移，基於克卜勒觀測數據的系外行星目錄也不斷得到增補，這次發布的已經是第8版目錄了。新的目錄涵蓋了克卜勒任務頭4年的數據，天文學家完成了對所有數據的重新處理，包括使用了第一版目錄發布後才開發出來的新技術來重新梳理觀測數據。

克卜勒的數據中包含兩方面的重要信息。一是短時變暗現象出現的周期，它能夠告訴你這顆行星上「一年」有多長，由此可以得知它到恆星的距離。（克卜勒望遠鏡得名於天文學家約翰內斯‧克卜勒，是他指出了太陽系行星的公轉周期與它們到太陽距離之間的數學關聯，這一關聯也能夠推廣應用到繞任何一顆恆星公轉的行星上。）它還能告訴你這顆行星大概有多熱！當然，你必須得知道距離，還要知道恆星的溫度和大小。對於紅矮星之類溫度較低的恆星來說，就算一顆行星在比水星到太陽距離更近的軌道上繞它旋轉，行星的表面溫度仍有可能比地球更加涼爽。

另一方面的重要信息就是，星光被遮擋的比例。它能告訴你這顆行星有多大，假設你已經知道恆星大小的話，後者在大多數情況下都可以從其他計算中求出來。

幾十億顆地球！

天文學家梳理了全部數據，新發現了219顆可能存在的太陽系外行星（在被證實之前，它們被列為行星備選者）。這其中，又有10顆行星備選者，不只大小跟地球大致相當，環繞主星公轉的距離也剛好讓它們有可能溫度適宜，天文學家把這樣的地帶稱為宜居帶。所謂溫度適宜，大概相當於讓液態水能夠存在於行星表面所必須要達到的溫度範圍。這不是生命誕生的唯一要求，但起碼是個不錯的起點。

新的目錄把宜居帶內地球大小已知行星的總數提高到了30顆。

只有公轉軌道平面側對著我們視線方向的行星，才會發生凌星現象。從統計上看，不發生凌星現象的行星，至少佔到99%！圖片來源：Greg Loughlin

這已經不少了。我知道，跟克卜勒監測的150 000顆恆星比起來，30顆看起來並不多，但你還得考慮到——並非所有行星繞著恆星公轉的軌道都剛好側對著地球。大多數行星的公轉軌道平面，跟我們的視線方向都有一個夾角，所以那些行星並不會遮擋恆星，我們也就監測不到凌星現象。從統計上說，這樣的行星至少佔到99%！因此，在克卜勒盯住不放的這一小塊天區當中，宜居帶中地球大小的行星大概就有3000顆。

然而，這還不止。銀河系裡的恆星總數超過千億顆。簡單外推一下，這意味著銀河系裡類似的行星就有幾十億顆。

幾十億顆呀！

哇！

克卜勒-452b，一顆繞著其他恆星公轉的類似地球的行星。根據克卜勒望遠鏡的觀測數據，銀河系裡這樣的行星有幾十億顆之多。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/T. Pyle

超級地球與迷你海王星

某樣東西，在你只找到一個的時候，很難知道它應該歸入哪一類。畢竟，你只有一個樣本！打個比方，如果你在叢林裡發現了一隻古怪的蜥蜴，這很有趣，但也只能向你證明這樣的蜥蜴是存在的。會有更大的嗎？更小的呢？這樣的蜥蜴有多少？它們吃什麼，住在哪裡，跟其他蜥蜴又有什麼關係？這些問題你很難回答。

行星也是一樣。找到一顆行星，很贊。太陽系外有行星存在！這可是一條大新聞。

然而，只有當我們找到更多、非常多、成千上萬顆之多的行星時，科學研究才算得上是真正開始。確切來說，這正是太陽系外行星分類學的開啟之時。

有了克卜勒目錄裡的數千顆系外行星，一些趨勢開始顯現。木星那樣的氣態巨行星有不少，有些甚至比木星還要重得多。地球大小的行星顯然也被發現了不少，還有許多行星比海王星小了那麼一點點。

然而，新的目錄顯現出了一件非常古怪的事情。天文學家發現了許多大小跟地球差不多的行星，最大的能到地球直徑的1.5倍。但是，如果個頭再大一點，行星的數目便出現了突然下跌。然而，直徑一旦超過地球的2倍再大一點，行星的數量又會重新回升。這個趨勢在之前的數據中就有體現，現在隨著新數據的加入，更大的行星樣本已經足以證明，這不是一個假象。在統計上，這個空缺很顯著，是真實的。

太陽系外行星數量按大小分布的直方圖：縱軸為每100顆恆星平均擁有的行星數，橫軸則是行星相對於地球的大小。在1倍到兩倍地球半徑之間，行星的數目出現了一個明顯的空缺。圖中畫出的兩顆太陽系外行星，是空缺兩端行星的典型代表。圖片來源：NASA/Ames/Caltech/University of Hawaii (B. J. Fulton)

個頭較小的這一邊，我們稱那些行星為超級地球，而在個頭較大的那一邊，我們稱它為迷你海王星（海王星的直徑大約是地球的4倍）。在超級地球和迷你海王星之間，出現了一條明顯的鴻溝。這條鴻溝向我們透露了一些重要的事情，具體是什麼還不清楚。不過，我們可以猜測。

行星形成於盤旋在新生恆星周圍的物質圓盤，稱為原行星盤。細節很複雜，但大體上就是小顆粒先形成，然後通過碰撞粘連在一起而越長越大。在數百萬年的時間裡，這些傢伙成長到寬約1千米左右（我們稱它們為星子），然後星子碰撞形成更大的原行星，寬約1000千米左右。

這些原形星成為了真正的類地行星的核心。如果原行星在長到地球大小時物質便耗盡了，它就會停止成長。但如果仍有物質供給，它就能長到更大。一旦成長到地球直徑的大約1.5倍（這意味著它的質量將超過地球質量的3倍），它的引力就會變得足夠強大，開始有能力吸附氫、氦之類更輕的氣體。對於這顆年輕行星來說，這一刻堪稱分水嶺，因為它周圍有大量這樣的氣體。它能夠長到更大，「跳過那條鴻溝」，成長為一顆迷你海王星（至少會長到這麼大；它還可能成長為一顆真正的氣態巨行星，就像土星或者木星那樣，但這類行星遠不如迷你海王星那麼普遍）。

至少，這是天文學家目前的觀點。

這幅手繪圖描繪了行星之間的關係。所有行星都形成於原行星盤：有些長得足夠大，成為了氣態巨行星，其他一些則沒能長大，比如我們的地球。然而，還有一些個頭不大的行星長成了迷你海王星。這3類行星可以說涇渭分明。圖片來源：NASA/Kepler/Caltech (T. Pyle)

太陽系大有古怪

事實上，從數量來看，迷你海王星是克卜勒樣本中最常見的一類行星，其次便是超級地球。然而，在我們自己的太陽系裡，既沒有超級地球，也沒有迷你海王星。不知道什麼原因，銀河系裡最常見的兩類行星，太陽周圍一顆都沒有。

為什麼我們的太陽系如此古怪？答案還不清楚。倒是有一些假說嘗試回答，其中之一與木星有關。

在木星成長的過程中，它會與原行星盤相互作用，從盤中汲取物質的同時朝靠近太陽的方向遷移。在遷移的途中，它會攪亂所經之外原行星盤中的物質，任何正在那裡形成的原行星都會在木星引力作用下相互碰撞到碎屑橫飛。許多碎屑被甩出了內太陽系，殘留下的那些後來形成了我們今天所見的類地行星。由於殘留下來的物質較少，內太陽系中形成的第二代行星也就相對較小。再後來，與土星的引力相互作用又把木星拉了回去，形成了我們今天看到的太陽系。

這個假說未必正確，天文學家仍在著手釐清其中的細節！只是盯著我們自己的太陽系，很難知道它原本應該是什麼樣子。與其他行星系統進行比較和對照，是釐清我們太陽系神秘起源和成長陣痛的極佳方式。好消息是，我們現在已經有了大量其他的行星系統，可以拿來跟我們的太陽系作對比。

天文學最美妙的一個方面就在於：當我們遙望宇宙，注視和研究離我們數萬億個萬億千米以外的天體時，我們會發現我們對自己的家園有了更好的了解。

如果只用唯一的一條理由來支持科學研究，那麼僅此一點就已經足夠了。（編輯：Steed）