14.4：与其他行星系统的比较
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 描述对原行星盘的观测如何为其他行星系统的存在提供证据
- 解释探测系外行星的两种主要方法
- 将其他行星系统的主要特征与太阳系的特征进行比较
直到20世纪90年代中期，对行星起源的实际研究都集中在我们已知的唯一例子——太阳系上。 尽管关于行星绕其他恒星盘旋的猜测很多，但实际上没有发现任何行星。 从逻辑上讲，在缺乏数据的情况下，大多数科学家都认为我们自己的系统很可能是典型的。 他们大吃一惊。
发现其他行星系统
在《恒星的诞生和太阳系外行星的发现》中，我们详细讨论了恒星和行星的形成。 当分子云（由气体和尘埃组成）中的密集区域感受到额外的引力并开始崩溃时，就会形成像太阳这样的恒星。 这是一个失控的过程：随着云层的崩溃，引力变得更强，物质集中在原恒星中。 大约有一半的时间，原恒星会碎裂或被引力绑定到其他原恒星上，形成双星或多星系统，即受引力约束并相互绕轨道运行的恒星。 剩下的时间，原恒星会孤立地崩溃，就像我们的太阳一样。 正如我们所看到的，在所有情况下，角动量的守恒都会导致崩溃的原恒星旋转，周围的物质变平成圆盘。 今天，实际上可以观察到这种结构。 哈勃太空望远镜以及强大的新型地面望远镜使天文学家能够直接研究当今恒星诞生的太空区域（例如猎户座星云（图\(\PageIndex{1}\)）或金牛座恒星形成区域）中离这些星际盘最近的星盘。
我们发现的许多环星盘都显示出内部结构。 圆盘看起来像甜甜圈形，间隙靠近星星。 这些间隙表明圆盘中的气体和尘埃已经塌陷形成大型行星（图\(\PageIndex{2}\)）。 新出生的原行星既小又微弱，无法直接看见，但是空隙中原材料的枯竭暗示着环星盘内部存在看不见的东西，而且几乎可以肯定某种东西是一颗或多颗行星。 行星形成的理论模型，如右图所示\(\PageIndex{2}\)，长期以来一直支持这样的观点，即行星在圆盘中形成时会清除空隙。
我们的图显示了 HL Tau，这是一颗位于金牛座恒星形成区域有一百万年历史的 “新生” 恒星。 恒星嵌入在尘埃和气体的裹尸布中，掩盖了我们对恒星周围星际圆盘的可见光视野。 2014年，天文学家使用毫米波获得了HL Tau环星盘的戏剧性视图，毫米波刺穿了恒星周围的尘埃茧，显示了几颗新形成的原行星正在雕刻出尘埃通道。 随着原行星质量的增加，它们在轨道上行驶的速度快于环星盘中的尘埃和气体。 当原行星穿过圆盘时，它们的引力范围开始超过其横截面积，并且它们在清理圆盘中的缝隙之前在清理物质和生长方面变得非常有效。 Figure 的图像向我们\(\PageIndex{2}\)展示了许多原行星正在圆盘中形成，它们的形成速度比我们之前的想法所建议的要快，所有这些都是在恒星形成的头一百万年中。
有关ALMA对HL Tau的开创性观测及其对植物形成的启示的解释，请观看来自欧洲南方天文台的这段视频。
探索系外行星
你可能会认为，有了当今天文学家拥有的先进望远镜和探测器，他们可以直接对附近恒星（我们称之为系外行星）周围的行星进行成像。 但是，事实证明，这极其困难，这不仅是因为系外行星微弱，还因为它们通常会在它们运行的恒星的灿烂眩光中消失。 正如我们在《恒星的诞生》和《太阳系外行星的发现》中更详细地讨论的那样，效果最好的探测技术是间接的：它们观察行星对其运行的恒星的影响，而不是观察行星本身。
第一种产生多次行星探测的技术是非常高分辨率的恒星光谱学。 多普勒效应允许天文学家测量恒星的径向速度：即恒星相对于观察者朝向我们或远离我们的速度。 如果有一颗巨大的行星绕恒星运行，则行星的重力会导致恒星摆动，使其径向速度变化很小但可以检测到的量。 恒星的距离无关紧要，只要它足够明亮，我们可以拍摄非常高质量的光谱。
测量行星绕恒星行驶时恒星径向速度的变化可以告诉我们行星的质量和轨道周期。 如果存在几颗行星，它们对径向速度的影响就可以解开，因此只要行星的体积足以产生可测量的多普勒效应，就可以解密整个行星系统。 这种探测技术对靠近恒星运行的大型行星最敏感，因为这些行星在恒星中产生的摆动最大。 它已被用于大型地面望远镜上，用于探测数百颗行星，包括离太阳最近的恒星 Proxima Centauri 周围的一颗行星。
第二种间接技术是基于从地球上看，当恒星的一颗行星穿越或穿过恒星表面时，恒星会稍微变暗。 天文学家看不到这颗行星，而只能通过仔细测量恒星长时间亮度的变化来发现它的存在。 如果亮度的轻微下降定期重复，我们可以确定行星的轨道周期。 根据遮挡的星光量，我们可以测量行星的大小。
虽然有些过境是从地球测量过的，但这种过境技术的大规模应用需要在太空、大气层上方安装望远镜并扭曲恒星图像。 最成功的应用来自美国宇航局开普勒太空天文台，该天文台的唯一目的是 “盯着” 天空的单个部分 5 年，持续监测来自超过 150,000 颗恒星的光。 开普勒的主要目标是确定不同大小的系外行星在不同类别的恒星周围出现的频率。 与多普勒技术一样，过境观测有利于发现大型行星和短周期轨道。
最近使用多普勒和过境技术对系外行星的探测取得了令人难以置信的成功。 在二十年内，我们从对其他行星系统一无所知变成了数千颗系外行星的目录。 到目前为止发现的大多数系外行星的体积都比地球大或大于地球。 并不是说地球类似物不存在。 相反，小型岩石行星的短缺是一种观测偏见：较小的行星更难探测。
对数据进行分析以纠正此类偏差或选择效应表明，小行星（如我们系统中的陆地行星）实际上比巨型行星常见得多。 同样相对常见的是 “超级地球”，即质量是我们星球两到十倍的行星（图\(\PageIndex{3}\)）。 我们的太阳系中没有任何这样的东西，但是大自然似乎可以毫不费力地在其他地方制造它们。 总体而言，开普勒的数据表明，大约四分之一的恒星有系外行星系统，这意味着仅在我们的银河系中就存在至少500亿颗行星。
其他行星系统的配置
让我们更仔细地看一下探测系外行星的进展。 该图\(\PageIndex{4}\)显示了每年通过我们讨论的两种技术发现的行星。 在发现系外行星的早期，大多数行星的质量与木星相似。 这是因为，如上所述，最大的行星最容易被探测。 近年来，人们发现了小于海王星甚至接近地球大小的行星。
我们还知道许多系外行星都存在于多行星系统中。 这是我们的太阳系与生态系统共有的一个特征。 回顾 Figur\(\PageIndex{2}\) e，看看如此大的圆盘如何产生多个冷凝中心，多行星系统是行星形成的典型结果也就不足为奇了。 天文学家试图使用天体测量法测量多个行星系统是否都位于同一个平面上。 用当前的技术很难进行测量，但它是一项重要的测量方法，可以帮助我们了解行星系统的起源和演变。
理论与数据的比较
到目前为止发现的许多行星系统都不像我们自己的太阳系。 因此，我们不得不重新评估行星系统形成的 “标准模型” 的某些方面。 科学有时以这种方式运作，新的数据与我们的预期相矛盾。 媒体经常谈论科学家为了 “证实” 理论而进行实验。 的确，当新数据支持假设或理论并增强我们对先前结果的信心时，这令人欣慰。 但是，科学界最激动人心和最富有成效的时刻往往是新数据不支持现有理论，这迫使科学家重新思考自己的立场，对自然的运作方式形成新的、更深入的见解。
新的行星系统与行星是由环星盘内物质的聚集（结块）形成的基本观念没有什么矛盾的。 但是，“热木星”（木星质量比水星轨道更接近恒星的行星）的存在构成了最大的问题。 据我们所知，如果没有水冰的凝结，巨型行星就无法形成，而且水冰在离恒星热量这么近的地方也不稳定。 看来所有巨型行星，无论是 “热” 还是 “正常”，都是在距离恒星几个天文单位的距离处形成的，但我们现在看到它们不一定停留在那里。 这一发现使我们对行星形成的理解发生了变化，现在包括原行星盘内的 “行星迁移”，或者随后将其中一颗行星向内散射的兄弟行星之间的引力遭遇。
许多系外行星的轨道偏心率很大（回想一下，这意味着轨道不是圆形的）。 在圆盘中形成的行星预计不会有很高的偏心率。 这一发现为行星在引力相互作用时的散射提供了进一步的支持。 当行星改变彼此的运动时，它们的轨道可能会变得比起初的轨道偏心得多。
对于迁移可能发生的方式，有几条建议。 大多数涉及巨型行星与它们形成的环星盘中的残余物质之间的相互作用。 这些相互作用本来是在系统很年轻的时候发生的，而材料仍然留在磁盘中。 在这种情况下，行星以比气体和尘埃更快的速度行驶，并且感觉到一种 “逆风”（或摩擦），导致它失去能量并向内螺旋。 目前尚不清楚这颗螺旋式上升的行星在坠入恒星之前是如何停止的。 我们最好的猜测是，这次坠入恒星是许多原行星的命运；但是，很明显，一些迁移的行星可以阻止其向内运动并逃脱这种破坏，因为我们在许多成熟的行星系统中都发现了炙手可热的木星。
关键概念和摘要
第一颗环绕遥远太阳型恒星的行星是在1995年宣布的。 二十年后，已经发现了数千颗系外行星，其中包括大小和质量介于地球和海王星之间的行星，而我们自己的太阳系中没有这些行星。 百分之几的系外行星系统有 “热木星”，即靠近恒星运行的大型行星，许多系外行星也处于偏心轨道上。 这两个特征与我们自己的太阳系中天然气巨型行星的属性有根本的不同，表明巨型行星可以从其形成地向内迁移，那里的寒冷足以形成冰。 目前的数据表明，小型（陆地型）岩石行星在我们的银河系中很常见；事实上，肯定有数百亿颗这样的类地球行星。
词汇表
- 系外行星
- 绕太阳以外的恒星运行的行星