21.6：行星形成的新视角
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 解释系外行星的发现如何改变了我们对行星形成的理解
- 讨论与太阳系截然不同的行星系是如何产生的
传统上，天文学家假设我们太阳系中的行星是在距离太阳的当前距离上形成的，并且从那以后一直停留在那里。 形成巨型行星的第一步是建立坚固的核心，这发生在 planetesimals 碰撞并粘住时。 最终，这个核心变得足够大，可以开始清理圆盘中的气态物质，从而建造天然气巨头木星和土星。
如何制作热木星
传统的行星形成模型只有在远离中心恒星（大约 5-10 AU）形成时才起作用，中央恒星的圆盘足够冷，固体物质密度相当高。 它无法解释炎热的木星，它们离恒星很近，任何岩石原材料都会被完全蒸发。 它也无法解释我们在某些系外行星上观察到的椭圆轨道，因为原行星的轨道，无论其初始形状如何，都会通过与周围物质盘的相互作用迅速变为圆形，并且随着行星通过清理其他物质而生长，其轨道将保持这种状态。
所以我们有两个选择：要么找到一个新的模型来形成靠近母恒星的灼热的行星，要么找到一种方法来改变行星的轨道，这样冷的木星在形成后就可以向内移动。 现在，大多数研究都支持后一种解释。
计算表明，如果在圆盘中残留大量气体的情况下形成行星，则行星的部分轨道角动量可以转移到圆盘。 当它失去动力（通过一个使我们想起摩擦影响的过程）时，行星将向内旋转。 这个过程可以将最初在圆盘寒冷区域形成的巨型行星运送到更靠近中心恒星的地方，从而产生炎热的木星。 混乱的早期太阳系中行星之间的引力相互作用也可能导致行星从远距离向内弹弓。 但是要做到这一点，另一颗行星必须带走角动量并移动到更远的轨道。
在某些情况下，我们可以结合使用过境和多普勒测量来确定行星是否在与恒星相同的平面和相同的方向上运行。 在最初的几个案例中，事情似乎像我们预期的那样起作用：就像太阳系一样，天然气巨型行星在恒星的赤道平面上运行，方向与旋转恒星的方向相同。
然后，一些令人震惊的发现是天然气巨型行星，这些行星以直角运行，甚至与恒星的自旋相反。 这怎么可能发生？ 再说一遍，行星之间肯定有相互作用。 在系统安定下来之前，可能有两颗行星靠近在一起，因此其中一颗行星被踢入了一个不寻常的轨道。 或者，也许在行星新形成之后，一颗过往的恒星扰乱了系统。
形成行星系统
银河系年轻时，形成的恒星不含许多重元素，例如铁。 为了丰富后代恒星的星际介质，需要几代恒星的形成和恒星死亡。 由于行星似乎是 “由内而外” 形成的，首先是积聚可以构成行星起点的岩心的材料，天文学家想知道在银河系历史上何时会开启行星的形成。
开普勒-444明星为这个问题提供了一些启示。 这是一个由五颗行星组成的紧凑系统——最小的行星的大小与水星相当，最大的行星的大小与金星相似。 所有五颗行星都是在穿越母恒星时用开普勒航天器探测到的。 所有五颗行星绕其主恒星运行的时间都不到水星完成一个绕太阳的轨道所需的时间。 值得注意的是，主星开普勒-444已有超过110亿年的历史，是在银河系仅有20亿年历史时形成的。 因此，制造岩石行星所需的较重元素在那时一定已经可用。 这个古老的行星系统将岩石行星形成的开始时间设定为在银河系形成后相对较快的时刻。
开普勒的数据表明，尽管我们的太阳系中缺少水星轨道内的岩石行星，但它们在其他恒星周围很常见，例如开普勒-444。 当第一批装有近距离岩石行星的系统被发现时，我们想知道为什么它们与我们的太阳系如此不同。 当许多这样的系统被发现时，我们开始怀疑是不是我们的太阳系与众不同。 这导致人们猜测，在我们的太阳系中，太阳附近可能曾经存在过更多的岩石行星。
从外太阳系的运动中有一些证据表明，木星可能很久以前就向内迁移了。 如果正确，那么来自木星的引力扰动可能会使近距离岩石行星的轨道移开，导致它们掉入太阳。 与这张照片一致，天文学家现在认为天王星和海王星可能不是在目前与太阳的距离内形成的，而是更接近木星和土星现在的位置。 这个想法的原因是，在行星形成时，围绕太阳的物质盘中的密度在土星轨道之外太低了，以至于建造天王星和海王星需要数十亿年的时间。 但是我们在本章的前面看到，原恒星周围的磁盘只能存活几百万年。
因此，科学家开发了计算机模型，证明天王星和海王星可能是在木星和土星当前位置附近形成的，然后通过与邻居的引力相互作用被踢出更远的距离。 所有这些精彩的新观察结果表明，当你只举一个例子时，就科学中的某种现象（在本例中为行星系统是如何形成和排列的）得出结论是多么危险。
系外行星为行星系统形成提供了新的画面，这幅画面比我们最初想象的要混乱得多。 如果我们认为行星就像溜冰场上的滑冰运动员，那么我们最初的模型（仅以我们自己的太阳系为指导）假设行星表现得像有礼貌的滑冰运动员，都遵守溜冰场的规则，并且都朝着几乎相同的方向移动，沿着大致圆形的路径移动。 新画面更多地对应于轮滑德比，滑冰运动员相互碰撞，改变方向，有时还会被完全扔出溜冰场。
可居住的系外行星
尽管在过去的二十年中发现了数千颗系外行星，但每种观测技术都未能找到不止几个与地球相似的候选行星（图\(\PageIndex{1}\)）。 天文学家不确定究竟什么属性会定义另一个地球。 我们需要找到一颗与地球大小和质量完全相同的行星吗？ 从可居住性的角度来看，这可能很困难，也可能不重要。 毕竟，我们没有理由认为，如果我们的星球变小或变大，地球上就不可能出现生命。 而且，请记住，行星的可居住性既取决于它与恒星的距离，也取决于其大气层的性质。 温室效应可以使一些行星变暖（就像金星一样，对地球的影响越来越大）。
我们可以问其他尚不知道答案的问题。 地球的 “双胞胎” 是否需要绕太阳型恒星运行，或者我们可以将绕K级和M级恒星运行的众多系外行星视为候选行星？ （2016年夏天，天文学家报告说，在最近的恒星Proxima Centauri周围发现了一颗质量至少为地球1.3倍的行星，该恒星的光谱类型为M，距离我们4.2光年。） 我们对寻找能够维持像我们这样的生命的行星特别感兴趣，在这种情况下，我们需要在系外行星恒星的可居住区域内找到系外行星，那里的表面温度与地表的液态水一致。 这可能是定义模拟地球系外行星的最重要特征。
寻找可能适合居住的世界是未来十年系外行星研究的主要推动力之一。 天文学家开始为新的仪器制定切合实际的计划，这些仪器甚至可以在遥远的世界中寻找生命迹象（例如，检查大气中是否有与生命相关的气体）。 如果我们需要太空望远镜来寻找这样的世界，我们需要认识到，规划、建造和发射这样的太空观测站需要数年。 系外行星的发现以及对大多数恒星都有行星系统的认识正在改变我们对地球以外生命的看法。 我们比以往任何时候都更接近于知道可居住（和有人居住）的行星是否常见。 这部作品为在其他地方寻找生命增添了新的乐观精神，我们将在《宇宙中的生命》中回归这个话题。
试用交互式 Cirstellar Hab le Zone Simulator，看看各种恒星和行星的可居住性，然后选择一个恒星系统进行研究。
摘要
系外行星的组合非常多样化，这使我们对行星形成的理解发生了变化，其中包括与行星迁移和散射发生剧烈、混乱相互作用的可能性。 太阳系在行星的排列方式上可能不寻常（且不具代表性）。 例如，许多系统的岩石行星似乎比我们向内更远，有些系统的岩石行星甚至离恒星很近 “热木星”。 雄心勃勃的太空实验应该使人们有可能对太阳系之外的类地球行星进行成像，甚至可以在我们在其他地方寻找生命时获得有关其可居住性的信息。