行星和弦之舞,泄露轨道迁移天机

从早到晚

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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。
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。

　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(芝加哥大学的肖恩·米尔斯（Sean Mills，左）和丹尼尔·法布里基（Daniel Fabrycky）)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）