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原标题:行星和弦之舞,泄露轨道迁移天机

开普勒223系统中的4颗行星,轨道周期的比值精确等于3:4:6:8。这一现象表明,至少在这个行星系统中,行星在形成时发生过轨道向内迁移的过程。图片来源:sciencepart.com

20多年前,除了太阳系里寥寥数颗行星以外,天文学家并不确定宇宙中是否存在其他行星。而现如今,得到确认的太阳系外行星数目,就已经超过了3000颗。不论是太阳系内还是太阳系外,行星都是怎样形成的呢?关于这个问题,天文学家已经渐渐理清了思路。

故事的开头,始于一大团弥漫的分子云,受到外部超新星爆发或者其他恒星经过的扰动,开始塌缩形成气体盘,中央密度高的地方形成了恒星。与此同时,在最初的气体盘里,微小的尘埃颗粒也在碰撞粘合,从微米级别长到千米级别,形成星子。这些星子继续成长到月球或者地球大小,开始清空周围的轨道,便形成了原行星。接下来,原行星凭借自身的引力吸纳周围的气体,直到气体被恒星吹散——至此,行星差不多就算形成了。

大体过程虽然已经明确,一些细节却仍有争议。比如,行星形成过程中,它们的轨道是否会迁移。有些科学家指出,星子和原行星可以被气体摩擦,向内迁移,同时继续长大,随后气体盘消散时也会带动一些行星向外迁移。另一些科学家则认为,气体盘消散很快,原行星吸纳气体的速度也足够快,因此它们不会发生迁移,能够待在原地长大。

最近,美国芝加哥大学的两位天文学家仔细研究了开普勒223系统,找到了强有力的证据,支持那里曾经发生过行星迁移过程。这项研究最近在线发表在《自然》杂志上。

开普勒223拥有4颗大小相近的行星,分别是地球大小的3倍、3.4倍、5.2倍和4.6倍,与太阳系里的海王星(3.9倍地球大小)相当。他们可能有地球大小的内核,外围包裹了海王星那样浓密的大气。这4颗个头普通的行星,之所以能够吸引天文学家的关注,关键在于他们的公转周期:分别是7.38天、9.85天、14.79天和19.73天,比例精确等于3:4:6:8。换句话说,当第一颗行星公转8圈回到原位时,第二颗、第三颗和第四颗行星恰好各自公转了6圈、4圈和3圈回到原位。行星之间轨道周期的这种整数比,就称作轨道共振。此时他们能够周期性靠近,让他们持续施加相互的限制,使得各自都能在一定的扰动下维持现状。

在开普勒223行星系统中,第一颗行星公转8圈回到原位时,第二颗、第三颗和第四颗行星恰好各自公转了6圈、4圈和3圈回到原位。图片来源:W.Rebel, Wikimedia Commons

共振在生活中也非常常见,比如荡秋千时,如果朋友推你的频率和秋千本身的频率一致,秋千就能越荡越高。在太阳系里也有轨道共振的例子,比如伽利略发现的木星4颗大卫星中的前3颗,环绕木星的轨道周期的比值恰好为4:2:1,海王星和冥王星的轨道周期比也接近2:3。只要轨道周期靠近共振,就可以让系统的能量变得较低,趋于稳定。虽然轨道共振现象普遍存在,但是拥有4颗精确共振且周期仅有数天的行星系统,开普勒223是独此一家。

那么,如此精巧的轨道排列,又怎样能够支持曾经发生过行星迁移过程呢?

在气体盘外围,物质丰硕,原行星能够长到足够胖,让自己的横截面积变得较足够大。如此一来,它在气体盘里运动时,迎面吹来的“风”产生的阻力也会较大,使得它损失轨道能量,螺旋运动逐渐靠近恒星,这就是迁移过程。如果内侧还有正在形成和迁移的行星,外侧这颗行星向内迁移时,就会慢慢赶上内侧的行星。两者靠近到一定距离,它们的轨道周期构成整数比,例如4:3时,彼此之间的引力周期性相互影响,便使得两颗行星达到轨道共振,从而稳定下来。然而,迎面吹来的“风”并没有就此停歇,还会继续施加阻力,使两颗行星共同向内迁移。如此这般,它们一起赶上内侧的第3颗行星,同样达到轨道共振,接着3颗行星又一起向内迁移,最后赶上最内侧的第4颗行星。

这样的气体盘迁移理论,能够完美解释开普勒223系统中的这4颗行星,使它们轨道周期处在精准的整数比值。不仅如此,由于行星向内迁移的原因是气体盘带来的阻力,最内侧的行星最终停止在气体盘的内边界附近,使得它的轨道周期仅为数天——这也解释了开普勒223系统中的4颗行星轨道都如此紧凑靠近恒星的原因。

芝加哥大学的肖恩·米尔斯(Sean Mills,左)和丹尼尔·法布里基(Daniel Fabrycky)在一项新研究中细致分析了开普勒223系统中4颗行星的轨道共振。图片来源:Nancy Wong/芝加哥大学

如果没有气体盘里的迁移,行星之间相互影响或许能够接近于轨道共振,但肯定无法达到开普勒223这样的精确。因为4颗精确共振的系统也同样非常脆弱,一旦有稍大的引力扰动,比如有另一颗较小的行星靠近,便会立即摧毁它们的共同“舞蹈”,偏离3:4:6:8这个和弦。能够保持这样的轨道,恰恰说明它们曾经经历过气体盘中的迁移过程。

这项研究的作者还利用夏威夷莫纳克亚10米口径的凯克望远镜,详细观察了开普勒223的光谱,发现这颗恒星的年龄超过60亿年,要比我们的太阳更古老。是怎样的巧合让开普勒223的4颗行星避开了各种各样的扰动?要知道,气体盘的消散、恒星潮汐力的拖拽、其它小行星的干扰,每一个过程都足以破坏精确的轨道周期比。也正是这些扰动,让无数曾经迁移过的行星系统都离开的共振状态 。60亿年过去了,也许是巧合,或许还有未知的因素等待科学家探索,开普勒223的4颗行星就这样幸运地保留了当初的轨道,依然舞动着精准的步伐,向远在地球上的天文学家证明,他们曾经迁移过。(编辑:Steed)

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