“地球兄弟”挑战星云说等2篇

已发现的数千个与太阳系大相径庭的行星系统颠覆了我们对行星形成的认识。天文学家们正在寻找一个全新的理论。

不久前——事实上就在20世纪90年代中期，有一个理论，其漂亮程度让天文学家相信它必须是正确的。他们给它取了一个极其平淡的名字：核心吸积理论。其漂亮之处就在于，仅使用一些基本的物理学和化学原理，它就能解释太阳系的每一个主要特征。

该理论解释了为什么所有的行星都以同一个方向绕太阳转动；为什么行星的轨道几乎都是完美的圆形且都位于太阳赤道平面附近；为什么四颗内行星（水星、金星、地球和火星）是体型较小且主要由岩石和铁组成的高密度天体，而四颗外行星（木星、土星、天王星和海王星）是体型巨大且基本上全由氢和氦组成的气态天体。既然物理学和天文学原理适用于整个宇宙，核心吸积理论预言，任何围绕另一颗恒星的太阳系外行星（简称“外星行星”）系统都会与我们的太阳系极为相似。

从20世纪90年代中期起，天文学家开始不断寻找到新的外星行星，然而它们看上去却一点也不像我们太阳系的行星：大小如木星的气态巨行星会在非常小的轨道上绕其宿主恒星公转，而核心吸积理论则认为它们是不可能出现在那里的；一些外星行星会拥有着非常扁的椭圆轨道，另一些则会从其宿主恒星两极的上空飞过。只要不违背物理学定律，行星系统似乎可以具有任意的形状。

在2009年美国宇航局的开普勒卫星发射之后，外星行星候选体的数量猛增到数千个——足以让天文学家有史以来第一次对其他的行星系统进行有意义的数据统计，进而完善标准模型。天文学家发现，不仅大量的外星行星系统与我们的太阳系截然不同，而且那里最常见的行星类型——质量介于地球和海王星（4倍于地球质量）之间的“超级地球”——在太阳系中根本就不存在。美国加州大学圣克鲁兹分校的天文学家格雷戈里·劳克林说，使用我们的行星家族作为模型，无法成功地外推出观测到的外星行星系统。

这些发现引发了争议和困惑，因为天文学家极力想搞清楚之前的理论哪里出了问题。他们正在尝试很多想法，但还远无法确定整体的理论图像。加拿大理论天体物理研究所的诺姆·默里说： “这个领域目前仍处于迷茫状态。”美国麻省理工学院的天体物理学家凯文·施劳夫曼对此表示同意： “眼下不可能对每一件事情都做出解释。”除非科学家们达成了新的共识，否则他们将无法在更宏大的架构之下来认识我们的太阳系，更无从谈起预言其他的可能性了。

标准行星的诞生

在寻求决定性理论的过程中，天文学家们都同意，核心吸积理论仍有一些内容是正确的。例如，行星是恒星形成的遗留物。恒星形成于星际氢和氦气体云的坍缩，直至其核心密度和温度升高到足以被点燃。

一些氢和氦并不会径直落入新生的恒星，而是在其周围盘旋，形成一个围绕这颗恒星赤道的扁平薄盘。在这些气体中夹杂着由较重的元素——如碳、氧、氮、硅和铁——所构成的固体颗粒，它们都是由早几代的恒星制造出来的。随着这个盘的冷却，静电作用会把这些颗粒粘附在一起，形成松散的集团，它们最终会生长成尺度达千米级的天体，被称为星子。此时，引力会接管大局，星子间会发生碰撞、碎裂、聚合并成长为一颗完整的行星。伴随着这个过程的发生，周围气体的摩擦力会使得它们的轨道几乎变成圆形。

这一核心吸积过程会发生在整个盘中，但在不同的位置会有不同的结果。在靠近中心的地方，只有由熔点较高的物质所组成的颗粒才能在新生恒星的炙烤下幸存下来，例如铁和各种矿物—本质上即岩石。其结果是形成一个由岩铁行星组成的内部系统，受限于盘中固体物质的相对含量，内行星的质量不会超过1个地球质量。

然而，在远离中央恒星的地方，这个盘可以冷却到足以维系冰的存在，它们会远比铁和岩石丰富得多，并且能毫不费力地吸积星子。一旦星子长到了十倍于地球质量，它们就会开始吸引周围的氢和氦，迅速吸积生长成类似木星和土星的气态巨行星，质量达地球的数十或数百倍。只有当从轨道上清除了所有的气体之后，它们的生长才会停止。

另类行星的发现

不过，行星形成标准理论也就到此为止了，主要是因为它和我们的太阳系符合得太好了：岩质行星在内部，气态巨行星在外部。但1995年，当瑞士天文学家在一颗类太阳恒星周围发现第一颗外星行星时，它的情形与标准模型几乎完全格格不入。对恒星飞马51视向速度的精确测量显示，因一颗行星的引力而造成的结果有微小反复变化。这些数据显示，该行星的质量为地球的150倍，接近木星的一半。这清楚地把它的类型定为了气态巨行星。然而，被称为“飞马51b”的这颗行星的公转周期仅为4个地球日，到其宿主恒星的距离只有750万千米，或者0.05个天文单位（1个天文单位相当于地球到太阳的距离）。这比水星0.47个天文单位的轨道还要小得多，这同时也把该行星的形成地点置于了该气体盘中温度达约2000K（开尔文）的地方，对固态冰和气体而言这个温度太高了。美国马里兰大学的天文学家德里克·理查森说：“这就像， ‘什么！我们甚至都没往那儿想啊’。”

天文学家称它为“热类木星”。它们很快成为了巨型外星行星的一个类别，质量在木星质量的三分之一到十倍之间，到其宿主恒星的距离在0,03个天文单位到3个天文单位之间。更为奇特的是，在这类行星中，有的轨道会经过其宿主恒星的两极而非其赤道，如行星WASP-7b；有的轨道呈扁椭圆形，如行星HD80606b，它距离宿主恒星最小处为0.03个天文单位，最远处则到了0.8个天文单位；而有的公转方向则与其宿主恒星的自转方向相反，如行星HAT-P-7b。

到2000年，天文学家发现了30颗外星行星。到2008年底，这个数字上升到了330颗。之后，美国宇航局发射了开普勒空间望远镜，它在随后的4年时间里对一片包含有15万颗类太阳恒星的天区进行了外星行星搜寻。其方法是探测当行星从恒星前方经过时所造成的恒星亮度的轻微变暗，这种方法被称为“凌星”。相比视向速度方法，这一方法可以找到更小的行星，使得天文学家们有机会去发现其他的“地球”。 “开普勒”目前已发现了974颗外星行星，另有4254个候选体有待通过地面观测进一步确认。如果“开普勒”所发现的全部候选体都被证实，那么该技术将会发现超过5000颗的外星行星。

“开普勒”所发现的行星系统也都非常奇特。例如，开普勒-56系统包含两颗行星，质量分别是地球的22和181倍，它们的轨道和恒星平面都存在45。的夹角。在开普勒-47系统中，两颗行星轨道都在围绕一个双星公转。开普勒-36系统中，行星间的距离比其他任何已知的都更紧密：它们公转的周期分别为14天和16天，其中一颗由岩石构成，密度是另一颗由水冰构成的8倍。“它们是怎么靠得这么近的？”理查森想知道，“它们又是为什么如此不同？”开普勒-11周围有6颗行星，其中有5颗位列迄今已知直径最小和质量最小行星的行列。美国哈佛史密松天体物理中心的戴维·夏博内说，它们的密度“低得惊人，肯定大部分是冰，或者有显著的气体包层”。然而所有这5颗行星到其宿主恒星的距离最远也不超过0.25个天文单位。

各种可能的解释

“开普勒”所带来的最大惊喜源于对其发现的统计。迄今为止所看到的外星行星可以分为三大类：热类木星、有着特殊轨道的巨行星以及超级地球。超级地球通常会出现在紧密的行星系统中，个数2～4个不等，距离在0.006—1个天文单位之间，公转周期则从几个小时到100多天。虽然我们的太阳系没有超级地球，但在所有的近距离类太阳恒星中，至少有40%的周围会出现它们的踪影。“热类木星则很稀有，不到1%，”在美国麻省理工学院研究外星行星的物理学家乔舒亚·温说，“长周期、大偏心率的巨行星可能占了10%，而那40%则让人心生好奇。”

现在的问题是如何解释所有这些行星系统的多样性。在一般情况下，天文学家们会从标准的核心吸积理论出发，然后再加入一些在我们太阳系可能没有发挥作用的机制。

例如，为了解释热类木星，他们提出，这些行星并不会固守在它们位于恒星盘外围温度较低的诞生地。相反，由于盘中粘性气体的阻尼，年幼的巨行星会盘旋着向内迁移。在进行到一定程度之后，由于某些未知的原因，这一致命的迁移过程会戛然而止，而热类木星则会进入一条在近距离上绕其宿主恒星公转的稳定轨道。尽管温度极高，但巨行星有足够强大的引力来维系住它们的大气。

大偏心率巨行星则可能是引力相互作用的结果。如果同时有几颗巨行星在迁移，那它们也许会从近处通过彼此，引力会把它们散射出去，与该系统的其余部分脱离，进入与宿主恒星自转相反的轨道，甚至完全逃逸出该行星系统。

相比之下，超级地球则更难以解释。一些最小且距离最近的超级地球，也许实际上是迁移巨行星的核心，由于太靠近宿主恒星，它们的气体己被剥离。 “超级地球可能不会墨守成规，”美国宾夕法尼亚州立大学的天体物理学家埃里克·福特说， “它们中的一些更像是鸟类中的企鹅。”

超级地球如此庞大的数量需要一个解释，但标准模型做不到这一点。因为，在现有的模型中，恒星盘中心区域所包含的物质太少，无法形成数个近距离的超级地球。不过，理论家们已经找到了解决这个问题的办法。劳克林和美国加州大学伯克利分校的天文学家尤金·蒋已一起证明，质量更大、更靠近宿主恒星的盘可以形成紧密的超级地球系统。默里和美国加州大学洛杉矶分校的天体物理学家布拉德·汉森也提出，在一个大质量的盘中可以形成超级地球，不同的是构成它们的星子形成于这个盘的外围，在聚合成行星前它们向内迁移到了宿主恒星附近。

美国加州大学圣克鲁兹分校的天文学家林潮及其同事也在试图把所有类型的行星纳入一个可以解释所有行星系统的统一模型中。它首先假设，在不同的系统中，其恒星盘中的质量分布各不相同。林潮说，在那之后就是“迁移，迁移，再迁移”：在这个盘的中部和外围会形成所有类型的行星，之后它们会向内迁移。

这些模型很吸引人，但迁移的概念，尤其是较小行星的迁移，让科学家们心存疑问，因为从来没人目睹过它的发生。必要的观测证据也许是不可及的：当行星在盘中迁移时，其宿主恒星仍极为年轻且被尘埃包裹，它发出的光会被尘埃散射，使得现有的方法无法探测到因行星凌星所造成的亮度下降。迁移理论本身也还没有最终定型。天文学家们发现很难解释或大或小的迁移行星是如何停在所观测到的轨道上的。温说，在数值模拟中，行星不会停下迁移的脚步，它们会径直扑向恒星。

也许最大的问题是，为什么我们的太阳系如此与众不同？为什么它不包含在其他类太阳恒星周围最常见的超级地球？为什么在水星轨道里面没有行星，而在其他行星系统中大多数外星行星都位于这一距离范围内？为什么在太阳系中不同大小的行星取得了平衡，而大多数其他的行星系统似乎更钟爱其中的一种，但却没有两者兼而有之？

不过，天文学家仍然不知道我们到底有多么特殊。对外星行星的观测存在严重偏颇：主要的两项探测技术都无法发现范围较大的行星系统，它们对于同时包含有大型和小型行星的系统也不敏感。也许，我们根本就不特殊。

未来的观测兴许能为此提供一些答案。 “开普勒”上出现的故障使得它已经无法再指向它原先所观测的天区，但2014年6月它已获准继续进行观测。它观测的时间越长，所能看到的外星行星的轨道就越大。地面观测的计划也开始使用更为先进的仪器设备，其中一些已经可以看到距离宿主恒星超过5个天文单位的外星行星。2017年美国宇航局计划发射外星凌星行星巡天卫星( TESS)来搜寻全天所有亮星周围的凌星行星。更多的外星行星候选体将会使得天文学家们发现类似我们太阳系行星系统（如果真的存在的话）的可能性大幅提升。

与此同时，天文学家们会继续完善他们的理论模型，会有更多更另类的行星需要它们来解释。默里指出，虽然目前的理论支离破碎、不具普适性，也不再漂亮，但这正是科学向前推进的方式。

摘自2014年7月9日《文汇报》联合国气候峰会在纽约联合国总部举行

联合国选在2014年开这个峰会，意在为2015年在巴黎举行的《公约》缔约方大会进行“总动员”。巴黎大会事关重大，届时可能拟定2020年以后新的全球减排协议，决定未来几十年的国际气候政策走向。因此，联合国在这个时候举行峰会，期待能为清除谈判中存在的政治障碍作出贡献、注入动力。

这次峰会以及随后10月份将在德国波恩举行《公约》下今年第三轮气候谈判、年底将在秘鲁利马举行的《公约》缔约方大会，这一系列会议都是为2015年巴黎气候大会打基础。

围绕新协议进行的每一步谈判都充满争论。巴黎大会能否达成各方都能接受的新协议尚不可知。联合国峰会最大的心愿也是凝聚政治动力，为巴黎大会使一把劲儿。

新闻报道连篇累牍，使得气候变化、温室气体减排这样的词妇孺皆知。也许你会问，地球气候现在到底是个啥状况？可能你感知到的每一天、每—个季节没有太大变化，但统计数据说明一切。

刚刚过去的8月，是自1880年有气温记录以来最热8月。4月、5月和6月也都是史上同期最热月份，7月平均气温在历史同期排第四名，但6月到8月这三个月的平均气温仍创下最热纪录。最热纪录不断刷新的背后，是全球温室气体浓度再创新高。世界气象组织月初报告，2013年地球大气中二氧化碳、甲烷及氧化亚氮三种主要温室气体浓度均创下新高，并且增速也创下纪录。

全球气候变化带来的影响包括：海平面上升、沿海地区遭受高涨潮水危害、城市因洪水受灾、极端天气危害基础设施、城市酷暑导致死亡和疾病、干旱和降水量的变化导致食物不足等，这些都不是唬人的。联合国政府间气候变化专门委员会( IPCC)主席帕乔里指出： “气候变化的影响已经在世界各地显现出来，没有一个人会不受影响。今后，气候变化会产生什么影响，取决于国际社会如何为此做准备，以及是否能够削减温室气体排放。”

摘自2014年9月24日《文汇报》