人類首次發現“共軌系外行星” 兩顆行星共用同一軌道？

當我們回顧太陽系是如何誕生的這段歷史時 會發現有些線索很容易拼接在一起 但有些問題卻始終讓人百思不得其解 按照目前的理解 大多數恆星在形成之初 都會被一張巨大的圓形星盤所環繞 行星正是在這張旋轉的氣體與塵埃圓盤中孕育而生 因此它們往往沿着幾乎同一個平面 圍繞恆星運行 隨着時間推移 圓形星盤會被各種引力擾動打亂 最終形成質量差異巨大的行星體系 既有體積小、密度高的內地行星 也有質量龐大的氣態或冰態巨行星 理論上 只要一顆行星足夠巨大 它就能在自身周圍形成一個行星環盤 從而孕育出規模龐大的衛星系統 像木星和土星那樣的巨行星 擁有數量衆多的衛星 這是完全符合預期的 但對於體量較小的延指行星來說 本不該擁有複雜的月球系統 可現實卻偏偏不按據本來 地球和火星都是延指行星 卻都擁有自己的天然衛星 更令人驚訝的是 地球的月球在整個太陽系中體量巨大 僅次於四個天體 木星的蓋尼米德、卡利斯托和愛奧 以及土星的泰坦 作爲一顆圍繞延指行星運行的衛星 月球的存在本身就顯得極不尋常 那麼地球究竟是如何獲得 這樣一顆巨大的天然衛星的呢? 過去半個多世紀以來 最主流的解釋是巨大撞擊理論 這一理論認爲 在太陽系形成早期 一顆火星大小的天體 曾猛烈撞擊年輕的地球 拋射出的海量碎片在引力作用下重新聚集 最終形成了月球 這個事件發生的時間 大約是在其他行星形成完成之後的5000萬年左右 而令人意想不到的是 這一經典理論 最近卻從一個看似毫不相關的地方 得到了新的支持 一個仍在形成中的系外行星系統 位於PDS-70恆星周圍的行星系統 爲我們理解太陽系的早期演化 提供了極其重要的線索 最新觀測數據顯示 類似巨大撞擊這樣的劇烈事件 或許並不像我們曾經以爲的那樣罕見 儘管彗星或小行星撞擊地球聽起來充滿危險 但從整體來看 太陽系其實是一個極其穩定的系統 只要太陽仍然處於正常的主續星階段 八大行星就預計會長期 穩定地運行在各自的軌道上 數值模擬甚至表明 在太陽未來50到70億年的壽命中 八顆行星中任何一顆被徹底甩出太陽系的概率 只有大約1% 不過這種穩定性並非宇宙中的標配 在許多恆星系統中 行星軌道的不穩定性反而十分常見 而這往往會導致行星被拋射出系統 甚至墜入它們的母恆星 當兩顆行星在軌道上彼此接近時 引力擾動就可能徹底改變它們的命運 它們可能發生正面碰撞 也可能其中一顆被甩出系統 甚至被直接拋向恆星 但還有一種更加反直覺 卻真實存在的可能性 這兩顆行星最終成功地共享同一條軌道 並長期穩定地圍繞恆星運行 聽起來像是科幻情節 但是實際上我們自己的太陽系 早就爲這種現象提供了一個關鍵線索 兩顆行星能夠穩定地共享同一軌道嗎? 傳統觀點認爲不可能 但對土星衛星的研究或許會給出不同的答案 根據國際天文學聯合會的定義 一個天體要成爲行星 需要滿足以下三個條件 它必須處於流體靜地平衡狀態 或者擁有足夠的引力使其自身成球形 換句話說 它必須是一個完美的球體 再加上旋轉和其他效應造成的變形 它必須圍繞太陽運行 而不是圍繞其他天體運行 例如 它不能圍繞另一顆行星運行 它必須清除其軌道上的任何小行星 圓行星或其他競爭天體 嚴格來說 最後一個定義排除了兩顆行星共享同一軌道的情況 因爲如果軌道上有兩顆行星 該軌道就不被認爲是已清除的 幸運的是 我們在考慮共軌行星時 不必受制於國際天文學聯合會那個值得商榷的定義 我們可以轉而思考 兩顆類地行星是否有可能共享同一條圍繞恆星運行的軌道 當然 最大的問題在於引力 引力可以通過我們之前設想的兩種方式之一破壞雙行星軌道 引力相互作用可能會猛烈地踢開其中一顆行星 使其要麼墜入恆星 要麼被拋出太陽系 或者兩顆行星之間的相互引力吸引會導致它們合併 最終發生一場壯觀的碰撞 在我們模擬圓形星盤形成太陽系的計算機模擬中 這兩種效應都非常常見 事實上 後一種情況可能就發生在太陽系形成僅幾千萬年的時候 大約四十五億年前 確實發生了一次碰撞 最終形成了我們如今的地球月球系統 此外 這次碰撞很可能導致了地球表面發生了一次大規模的重塑事件 我們目前在地球上發現的最古老的岩石 其年齡甚至不如我們發現的一些最古老的隕石 這些隕石很可能來自原始小行星帶 然而 兩顆行星很難完美地佔據同一個軌道 因爲在這種情況下 不存在真正的穩定性 我們能做的最好就是希望它們處於準穩定軌道 在這種情況下 準穩定意味着 從理論上講 在無限長的時間尺度上 一切都是不穩定的 這些行星最終會進行一場生死搏鬥 最終只會有一顆行星倖存下來 然而 您可以找到一些配置 這些配置可以維持數十億年 直到上述兩種不利事件之一發生 要理解這一點 您需要查看上面的圖表 特別是圖中標記爲綠色的五個點 拉格朗日點 如果您只考慮兩個質量體 太陽和一顆行星 那麼存在五個特定的點 在這五個點上 太陽和行星的引力效應相互抵消 所有三個天體將永遠以穩定的軌道運行 不幸的是 這些拉格朗日點中只有兩個是穩定的 任何從其他三個點開始的物體都會不穩定地移動 最終要麼與主行星相撞 要麼被拋射出去 但是 L4和L5點是小行星聚集的地方 氣態巨行星周圍都有數千顆小行星 就連地球也有一顆 小行星3753CRUITHNE 它目前正處於地球的準穩定軌道上 雖然這顆小行星的軌道在數十億年的時間尺度上並不穩定 但兩個行星確實有可能像這樣共享軌道 雙行星系統也是有可能存在的 它類似於地球 月球系統 只是沒有明確的勝者來區分哪個是行星 哪個是衛星 如果一個系統中兩顆行星的質量 大小相當 且距離很近 那麼就可能形成所謂的雙行星系統 最近的研究表明 這種情況確實可能存在 但還有另一種方法 這可能是你意想不到的穩定方式 兩個質量相當的行星可以分別位於兩個不同的軌道上 一個軌道在另一個軌道之內 當內側行星超越外側行星時 它們的軌道會週期性地互換 你可能覺得這聽起來很不可思議 但我們的太陽系就有一個這樣的例子 土星的兩顆衛星 普羅米修斯和亞努斯 每四年 位於內側的衛星就會追上外側的衛星 它們之間的引力作用會導致內側衛星向外移動 而外側衛星向內移動 最終它們會交換位置 在過去的三十年裏 我們觀察到這兩顆衛星的運行軌跡變化很大 但它們的構形會以八年爲週期重複出現 且沒有明顯的改變 據我們所知 這種構形不僅在人類的時間尺度上是穩定的 而且在太陽系的整個生命週期內也應該是穩定的 共振現象在行星動力學中 以多種不同的方式出現 例如海王星對科伊伯帶天體分佈的影響 木星的衛星木尾一 木尾二和木尾三遵循簡單的1比2比4軌道模式 以及水星的自轉速度和軌道運動遵循3比2的共振關係 行星軌道也可能遵循軌道交換共振規律 這並不令人意外 土味十和土味十一就是一個絕佳的例子 你可能會反駁說 這些是行星的衛星 而不是圍繞恆星運行的行星 但引力就是引力 質量就是質量 軌道就是軌道 唯一的區別在於具體的數值大小 而動力學原理卻可能極其相似 考慮到我們現在已經發現了大量圍繞M型紅矮星運行的系外行星系統 而且這些系統似乎與木星或土星系統類似 換句話說 我們完全可以想象 在銀河系某個地方 可能存在一個行星系統 其中有兩顆行星也以這種方式運行 不幸的是 至少目前爲止 在已發現的數千顆圍繞其他恆星運行的行星中 我們還沒有找到任何雙行星系統的候選者 開卜勒任務早期曾宣佈過一個候選系統 但後來被撤回 因爲其中一顆共軌行星的軌道週期被發現實際上是主行星的兩倍 但沒有證據並不代表不存在 這些共軌行星可能很罕見 但隨着更多更好的數據出現 我們完全有信心找到它們 如果我們擁有更好的行星探測望遠鏡 能夠觀測到一百萬顆擁有行星的恆星 並擁有大約十年的觀測時間 那麼我們很可能就能找到 所有三種可能的行星共享軌道系統的例子 萬有引力定律和我們的模擬結果表明它們應該存在 或許在恆星PD-S70周圍已經發現了一個年輕的雙行星系統 但成熟的雙行星系統仍然難以捉摸 現在剩下的唯一一步就是找到它們 如果我們想了解行星是如何圍繞恆星形成的 理想情況下 我們希望能夠追溯到儘可能早的階段 也就是恆星及其周圍行星系統仍在形成的時候 理想情況下 我們會找到一顆非常年輕的恆星 周圍仍然環繞着大量的行星形成物質 而且這顆恆星距離我們非常近 同時其中心恆星的質量也與我們的太陽相當 這正是PD-S70這顆恆星如此引人入勝的原因 根據它發出的紅外光 早在1992年 它就被確定爲一顆前主序星 當時理論上認爲它的年齡不到1000萬年 並且在同一年 科學家們假設它周圍存在一個圓形星盤 它的特性已被徹底研究和測量 我們現在確定 中心恆星PD-S70本身的質量是太陽的76% 但它仍在收縮 半徑實際上比太陽大26% 它非常年輕 估計年齡只有540萬年 對於這樣一顆年輕的恆星來說 它距離我們非常近 只有370光年 與大多數年輕恆星一樣 它的亮度也會週期性地發生顯著變化 以一種準週期但又混沌的方式 亮度會下降到峯值亮度的75% 然而直到2006年 我們才能夠直接測量到這個圓形星盤的存在 我們使用了安裝在歐洲南方天文臺旗艦觀測站之一 甚大望遠鏡上的日冕儀 在過去30年裏 隨着相機、日冕儀和自適應光學技術的不斷進步 我們對這個年輕恆星系統的觀測也越來越清晰 首先我們確定了圓形星盤的範圍 它從中心恆星延伸於140個天文單位 接下來在2012年 我們確定該星盤並沒有一直延伸到恆星系統的最內層區域 而是在距離恆星約65個天文單位處逐漸消失 並且在最內層區域幾乎不存在 這表明在恆星系統的內部區域已經形成了行星 之後2015年的一項研究表明 內層空氣對於大沉粒和小沉粒來說是不同的 在PDS70系統內約65個天文單位的範圍內沒有小沉粒 而大沉粒的分佈範圍更小 在系統內約80個天文單位的範圍內就已不存在 再加上新發現的塵埃空氣整體形狀的不對稱性 這表明存在多顆行星 2014年 盛大望遠鏡進行了重大升級 安裝了SPIR行星成像儀 至此我們終於擁有了相應的技術 不再僅僅滿足於推斷這顆新形成的恆星周圍存在年輕行星 而是能夠通過直接成像獲得它們存在的關鍵證據 2018年 科學家宣佈發現了圍繞這顆年輕恆星運行的第一顆行星 這顆行星名爲PDS70B 質量巨大 距離中心恆星較遠 其特徵如下 半長軸爲22.7天文單位 大約相當於天王星到太陽的距離 軌道週期爲123年 質量約爲木星質量的7倍 物理尺寸約爲木星的175% 這顆超級木星行星因此成爲首顆被直接成像證實的原始行星 第二年 即2019年 科學家證實它擁有自己的襲擊盤 同年 VLT上的另一臺儀器 MUSE積分廠光譜儀 在同一恆星系統中探測到了第二顆更遠的原始行星 PDS70C 這顆新行星距離恆星更遠 大約相當於海王星的距離 質量略小 約爲木星質量的4.4倍 但它擁有一個更引人注目的特性 利用合適的觀測設備 我們可以直接觀測到圍繞它運行的行星盤 正如每一顆大質量恆星形成時 都會伴隨一個圍繞其旋轉的星周盤 一個由原始物質組成的圓盤 這些物質會碎裂並聚集形成行星 小行星和其他大質量天體 每一顆巨行星形成時應該擁有一個行星周盤 一個圍繞新生行星運行的物質盤 通常亦與行星自身自轉相同的方向 圍繞行星旋轉 正如PD-S70B是第一顆 被直接成像的圓行星一樣 PD-S70C也是第一顆 被觀測到擁有行星周盤的行星 人們認爲這些行星周盤 會導致氣態巨行星周圍形成衛星系統 因爲這些圓盤內部也會發生引力不穩定性 最終會形成衛星和行星環系統 PD-S70C周圍的行星周盤擁有足夠的質量 可以形成三顆大小與地球月球相當的大型衛星 這表明它形成的衛星系統 可能更類似於木星或土星周圍的衛星系統 而不是天王星或海王星周圍的衛星系統 然而儘管這些發現既有趣又引人入勝 但它們對於解釋像地球和火星這樣的岩石行星 如何擁有衛星的謎團並沒有太大幫助 當然關於這一點存在一種理論 大多數科學家認爲 地球的月球並非形成於太陽系行星形成時期 圍繞地球的行星盤 而是大約在五千萬年後形成的 這種理論認爲 一顆巨大的圓行星 一顆火星大小的天體 名爲頹伊亞 與年輕的原始地球相撞並融合 產生了巨大的碎片雲 這團碎片雲圍繞着地球存在了數千年 隨着時間的推移 這些物質在引力作用下聚集形成一個或多個巨大的天體 其中一些落回了地球 其餘的則逃逸到行星際空間 如果這聽起來像是天方夜譚 那麼你並非唯一這麼想的人 但這種理論不僅與模擬結果相符 而且還有大量證據支持 包括阿波羅宇航員帶回的月球岩石的地球化學分析 地球自轉軸與月球軌道的對齊 月球鐵壑的尺寸較小 月球上揮發性元素的匱乏 月球地球系統相對於其他岩石行星具有較大的角動量 月球和地球岩石的穩定同位素比率相同 以及其他一些證據 還有一種非常有說服力的理論認爲 火星的兩顆衛星 火衛一和火衛二 也是由一次巨大的撞擊形成的 火星南北半球之間巨大的地形差異 而火衛一和火衛二彼此之間 以及與火星自轉軸的排列方式表明 它們可能有着共同的起源 雖然模擬無法重現一次巨大的撞擊 產生兩顆小衛星的情況 但可以模擬出形成一顆較大的內層衛星 隨後這顆衛星會墜落回火星 同時形成兩顆較小的外層衛星 截至2016年 這是關於火星如何獲得其衛星的主流理論 那麼這些假設的 會造成此類碰撞的原行星究竟來自哪裏呢 一種觀點認爲 在年輕的太陽系中 最初存在大量相對較大的原行星 它們之間發生引力相互作用 導致一些原行星被拋射出去 一些被射入太陽 還有一些最終與其他行星和衛星發生碰撞 這種觀點雖然很流行 但缺乏足夠的觀測證據支持 但另一種相當引人注目的觀點是 多個原行星可以在大致相同的軌道上形成 正如在所有七臺巨行星 甚至我們自己的地球周圍的 L4和L5拉格朗日點附近 都存在被捕獲的天體一樣 或許這些位置曾經是我們太陽系中 巨大原行星的所在地 之後它們要麼被拋射出去 要麼與軌道上的主要行星體發生碰撞 第二種假說最近得到了一個意想不到的有力支持 來自奧馬望遠鏡對原恆星PDS-70周圍 年輕恆星系統的長波長觀測 在這張新的圖像中 許多以前觀測到的特徵都清晰地顯現出來 儘管中心恆星被日冕儀遮擋 但它仍然顯示出一個明亮且呈星雲狀的核心 這或許表明在中心恆星附近 行星形成過程仍在進行 在外部區域 剩餘的原形星盤的完整範圍清晰可見 從距離中心恆星約65個天文單位 一直延伸到約140個天文單位 在這個原形星盤內 可以看到一個非常明亮的物質環 這可能表明該區域的物質密度最高 或者在奧馬望遠鏡敏感的溫度範圍內輻射最強 或者該區域的物質尚未被內部或外部的原形星吸收 系外行星PDS-70C位於原形星盤內邊緣的內部 清晰可見 這表明該系統相對於我們的視線方向是傾斜的 而不是完全正面朝向我們 但或許最引人注目的是 當你仔細觀察該系統中已知最內側的系外行星PDS-70B的位置時 你會發現一個比背景更暗淡的光點 它與PDS-70B位於同一軌道上 那團光斑究竟是什麼? 它可能什麼都不是 只是一個背景天體 恰好此刻位於同一視線上 我們相信最近就發生過類似的情況 當時我們誤將一個背景天體當作了北洛師門星系碎片盤中的一員 它也可能是一個瞬時事件 例如這個原形星系統噴射出的塵埃雲 如果一顆冰冷的彗星狀天體在我們眼前解體 就可能出現這種情況 如果不長時間持續觀測這個天體 我們就無法確定 但它也可能是一個真實存在的物體 其軌道與原形星PDS-70B大致相同 它可能是一組特洛伊天體中的一個 這些物質似乎與主行星共同圍繞着一個點運行 該點位於主行星繞其母星公轉軌道上 離主行星超前或直後60度 或者 最令人興奮的是 它本身可能就是另一顆原形星 如果最後一種情況屬實 那麼這可能是一個真正的類比 儘管主原形星的質量比原地球的質量要大得多 但它可能類似於大約45億年前 假設存在的地球特異亞系統 研究人員傾向於第三或第四種可能性 並將其作爲理論上存在的系外特洛伊行星的第一個例子 同時考慮到它也可能是一顆恰好位於這些引力有力的拉格朗日點附近的共軌行星 誰能想到兩個世界擁有相同的公轉週期和宜居條件 我們的研究首次證明了這種世界可能存在 我們可以想象一顆行星可以像木星一樣與數千顆小行星共享軌道 但令我震驚的是 行星竟然也能共享同一軌道 由於這是我們首次研究如此近距離且如此年輕的行星系統 因此或許令人驚訝的是 這種情景實際上在二十多年前就已經被許多人設想過了 軌道共享在許多情況下都會發生 無論是在我們自己的太陽系還是在其他星系 但從長遠來看 這種共享並非絕對穩定 由於這個名爲PDS-70的行星系統只有540萬年的歷史 我們可以確信 如果觀測到的這團光斑確實是PDS-70b的半星 它也不會永遠存在 或許 如果這種巨行星的縮小版在宇宙中普遍存在 那麼不僅是地球大小的行星很常見 就連擁有月球大小衛星的地球大小的行星也很常見 優優獨播劇場——YoYo Television Series Exclusive