行星形成的具体机制引发争议和困惑—资讯—科
时间:2017-12-07

  地球形成的具体机制引起争议和困惑 - 新闻 - 科学网

  数以万计的地球不同星系的发现解构了我们的行星形成的想法。天文学家正在寻找一个全新的理论。

  在20世纪90年代中期,一个理论是如此美丽的核心吸积理论。它的美妙之处在于只用几个基本的物理和化学原理来解释太阳系的每一个主要特征。这就解释了为什么所有的行星都围绕着太阳运行在同一个方向上,为什么它们的轨道几乎完全是圆形的。为什么四颗内行星(水星,金星,地球和火星)主要由岩石和铁等组成,体积较小等问题。因为物理学和天文学的原理必须适用于整个宇宙,所以它预测其他恒星周围的任何系外行星将大致相同。

  早在20世纪90年代中期,天文学家就开始寻找这些系外行星,发现它们根本不像太阳系。木星大小的气体云在恒星周围的微小轨道上行驶,据此,这种情况是不可能的。其他的太阳系行星运行在椭圆轨道上,有些在恒星的两极移动。行星系统似乎以任何不违反物理定律的形式运作。

  2009年,美国宇航局发起了开普勒探测器,探索地球,将河外发现的数量迅速增加到数千个,足以使天文学家获得有关其他行星系统的有意义的统计数据,并打破人们一直接受的标准理论。已经发现,太阳系中不仅存在许多与太阳系相似的系外行星系统,而且甚至是地球与海王星之间最普通的行星,也就是地球之间的超地球。加州大学圣克鲁斯分校的天文学家格雷戈里·劳克林(Gregory Laughlin)说,以太阳系行星族为模型,在探索太阳系外行星方面并没有成功。

  这样的结果引起了争议和困惑。天文学家正在开始尝试其他的想法。加拿大理论天体物理研究所的莫里(Norm Murray)表示,目前的这个领域还没有取得任何进展,目前无法解释所有的事情。麻省理工学院(MIT)的天体物理学家Kevin Schlaufman对此表示赞同。直到研究人员达成新的共识,他们仍然不明白太阳系如何处于宇宙的更大的框架中,更不用说预测其他可能存在的星系。

  行星的生产

  在探索一般理论时,天文学家认为核心吸积理论有一个合适的部分:星际氢和氦气相互撞击,直到核心密度和温度足够燃烧,星球诞生,星球诞生。 。

  这些氢和氦气云中的一些并不直接成为新生的恒星,而是围绕它们在赤道周围形成一个薄而扁平的圆盘,这些气体带有一些较重的元素固体颗粒,如碳,氧,硅和铁。圆盘冷却下来,静电使颗粒聚集在一起,形成松散的组织,最终生长成数公里直径的物体,称为恒星,然后产生重力效应,恒星彼此碰撞成碎片,成长为完整的行星,当这一切发生时,气体周围的摩擦产生一个接近圆形的轨道。

  核心增长理论过程在不同的地点产生不同的结果。在中心,唯一能够承受新生恒星热量的是高熔点材料,如铁和各种矿物质。其结果是由于整个盘片具有较少固体材料的事实,岩石铁质行星的内部系统与地球大约相同或更小。

  然而,远离星星的温度足够低,以保存比铁和岩石更丰富的冰,并聚集成星星。当恒星长到地球质量的10倍时,他们开始吸入周围的氢气和氦气,迅速积聚成木星和土星等巨型气体行星,这些行星比地球还要大几十倍或几百倍。它们在吸收轨道上的气体后停止生长。

  奇怪的星球

  核心吸积理论与太阳系完美匹配。然而,在1995年,瑞士观察员报告发现了第一颗明确的太阳系外行星,标准模型似乎缺少了一些东西。对它的恒星Pegasi51的准确测量表明,行星的引力产生了小的,反复的变化。数据显示,地球比地球大150倍,几乎是木星的一半。这显然把它归类为一个巨大的气体星球。但是这个星球在四个地球日的周期内围绕恒星旋转,距离恒星只有750万公里。这表明当气盘在2000年左右形成时,冰和气在该温度下是不可能的。这就好像我们发现了一些我们不应该发现的东西。马里兰大学天文学家德里克·理查森说。

  天文学家称之为热木星。他们很快找到了这样一个巨大的太阳系外行星的种族,并发现了其他奇怪的东西:WASP-7b围绕它的恒星的极点而不是赤道; HD80606D的轨道高度椭圆; HAT-P-7b的轨道方向与其自旋方向相反。

  到2000年,天文学家发现了30颗系外行星。在2008年,这一数字达到了330.美国宇航局随后启动了开普勒寻找系外行星。开普勒通过探测恒星经过恒星时的微弱变化来确定行星,与径向速度技术相比,这种方法可以找到更小的行星,使天文学家有机会发现其他类似地球的行星。目前已经发现974颗系外行星,目前还有4254颗正在等待进一步的地面测量证实。

  开普勒发现的行星在奇怪的系统中运行。例如,开普勒一56系统中的两颗行星分别是地球质量的22倍和181倍,两者都在距恒星平面45度处运行。开普勒-36系统中两颗行星之间的距离非常接近:分别运行了14天和16天。其中一个是一个岩石行星,比另一个冰行星密度高八倍。他们怎么能保持密切?理查森问,怎么会这么不同?

  独特的地球

  问题是如何解释所有这些行星系统的多样性。一般来说,天文学家将从标准的核心增长理论开始,然后添加那些在太阳系中没有的分析过程。超级地球很难解释。麻省理工学院外星人的物理学家约书亚·温(Joshua Winn)说,超级地球一直没有一致的定义,超级地球可能不是典型的鸟类,更像是企鹅。宾夕法尼亚州立大学天体物理学家埃里克·福特(Eric Ford)描述道。

  超级地球的大小需要解释。标准理论是不能这样做的,因为在目前的模型中,恒星盘的中心区域包含的材料太少,不能产生接近超级地球的行星。在圣克鲁斯加利福尼亚大学的Douglas Lin及其同事尝试的模型中,首先假定星盘的质量分布随系统而变化。之后,这是一个不断的迁移,林解释说,所有类型的行星从光盘发展到全尺寸,然后顺序移动。

  这个模型很吸引人,但移民的概念给了研究者一些犹豫。建模者发现很难解释为什么迁徙的行星不再在天文学家的轨道上,温说,在这个模型中,他们并没有停留在这个位置,也许最大的问题是我们的太阳系与其他星系有如此不同为什么它不包含类似于太阳的星星周围的行星?

  未来的观察可能会给一些答案。开普勒的举动一直不稳定,但上个月它被批准继续寻找数据,它的运行时间越长,可以观测到的太阳系外行星的范围就越大,地面勘探计划开始使用改进的设备来运行从2017年开始,美国航天局计划的外星LES卫星(TESS)将探索地球上所有明亮星星的过境现象,可能的候选地外行星可能会使天文学家发现像太阳系一样的星系系统。

  与此同时,研究人员继续发展他们的混沌模型。穆雷指出,如果现在的理论与现实脱节而不再美观,那么在科学界也是如此。 (张冬)

  中国科学通报(2014-07-09第3版国际)

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  自然报告(英文)