熱點跟蹤：行星流浪漢到底有多少？ | 天問專欄

? 圖1. 藝術家筆下木星大小的流浪行星。圖片來源：NASA, JPL-Caltech

導讀

行星形成理論預言星際中應該有孤獨的流浪行星，但它們極其暗弱。天文學家是如何發現它們的？流浪木星數量真的是恆星數量的兩倍？流浪行星上會有外星人嗎？本文將介紹關於流浪行星的搜尋方法、數量估算、存在生命的可能性等多個方面的內容，同時包括《自然》雜誌發表的相關最新進展。

撰文 | 臧偉呈 毛淑德

責編 | 呂浩然

知識分子為更好的智趣生活ID：The-Intellectual

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茫茫宇宙間，有一群「悲情」的天體——流浪行星（free-floating planets）。顧名思義，流浪行星不像我們的地球一樣，時刻繞著自己的「太陽」運行，而是如同流浪漢一樣，在宇宙中孤獨地漂泊。它們可以在自己的引力下直接塌縮而成，也可能在太陽系這樣的多行星系統內形成：行星之間可以互相碰撞、散射，其中的一些行星被母星無情地逐出了誕育它們的恆星系統，成為流浪行星。

它們獨自在冰冷黑暗的宇宙空間中穿梭流浪，並不能如同恆星一樣閃閃發光，附近又沒有母星可以照亮前路，只能與黑暗為伍，孤獨前行。正因如此，它們極難被天文學家捕捉探測。即使有些流浪行星中的「大塊頭們」努力地利用自身微弱的紅外輻射向我們「揮手」，但目前利用紅外成像所捕捉到的流浪行星也是屈指可數，且塊頭（質量）偏大，相比於已經發現的3600多顆圍繞母星運行的系外行星，可謂鳳毛麟角。

如何有效地探測到這群不被命運眷顧的流浪行星呢？聰明的天文學家想到，也許可以利用流浪行星的引力做文章，即利用流浪行星所產生的微引力透鏡效應，發現流浪行星的蹤跡。

微引力透鏡——行星搜索器

當我們觀測遙遠的恆星時，如果中間有其它恆星或行星穿過，這些過客（我們稱之為透鏡天體）的引力作用，會像凸透鏡一樣將光線匯聚，導致觀測的恆星亮度增加（如圖2所示），這就是微引力透鏡效應。

如果過客是單一天體的話，背景恆星的亮度變化曲線為單峰，且大多數情況下左右對稱（如圖3所示）。但如果過客是一個「拖家帶口」的恆星（如太陽），光變曲線很可能有多個峰，並且有可能呈現「翻天覆地」的變化，即使環繞該恆星周圍的行星質量不足恆星質量的萬分之一[1]（如圖4所示）。1991年，本文作者之一與Bohdan Paczynski教授一起，率先提出利用微引力透鏡尋找系外行星的方法[2]。目前為止，已有約60顆系外行星通過這一方法被找到。

? 圖2. 微引力透鏡效應示意圖。恆星、行星等大質量天體的穿過，使得地球上觀察到的遠處的背景恆星因為引力聚焦而「變亮了」。由於相對運動，引力聚焦的變化引起了背景源的亮度變化，見圖3 （圖片來源：NASA/ESA）

? 圖3. 單一天體因微引力透鏡效應而產生的亮度變化曲線。不同顏色的點代表不同望遠鏡及波段的數據，紅線為最佳擬合理論曲線。右上角紅圈內反應的是觀察到的背景恆星在微引力透鏡效應作用下變亮的情況（圖片來源: 清華大學臧偉呈）。

? 圖4. 太陽系外行星系統OGLE-2005-BLG-390L的一次微引力透鏡事件。不同顏色的點代表不同望遠鏡及波段數據，黑線為最佳擬合結果，左上角方框內是該事件OGLE長達5年的數據，右上角方框內是對行星信號區域的放大。分析結果表明，該恆星系統里存在著一顆約5.5倍地球質量的行星，這也是發現的第一顆系外岩石行星（圖片來源：文獻[1]）。

微引力透鏡事件有一個非常重要的時標參數：tE ，可以大致描述事件信號的長短，它與透鏡天體質量的平方根成正比，即透鏡天體的質量越大，其產生的微引力透鏡事件時標就越長[3]。一般來說，恆星質量的透鏡天體引發的微引力透鏡事件的時標一般在一個月左右，木星質量的透鏡天體導致的事件時標僅1天左右。而我們賴以生存的地球，質量只有木星的千分之三，所導致的微引力透鏡事件的時標更是只有幾個小時左右。天文學家正是通過搜尋那些時標小於2天的微引力透鏡事件，來尋找質量介於地球到木星質量之間的流浪行星的候選者。

爭論：流浪行星到底有多少？

2011年，MOA（Microlensing Observations in Astrophysics）觀測合作組織在《自然》雜誌上公布了他們的結論，他們通過分析2005年和2006年的474個微引力透鏡事件，從中找到了10個時標小於2天的事件（如圖5所示）。綜合考慮觀測的選擇效應，他們最終給出了「流浪木星」（質量與木星相當的流浪行星）的數量大約兩倍於恆星數量的驚人結果[4]！

? 圖5. MOA-ip-3：MOA發現的10個流浪行星候選者中的一個，時標tE=1.88天。黑色數據點來自與MOA，紅色數據點來源於OGLE（Optical Gravitational Lensing Experiment），綠色實線是最佳擬合理論曲線 （圖片來源：文獻[4]）。

這一結果在行星科學界引發了軒然大波。「在微引力透鏡領域，只有極少數的人相信MOA的結果，因為這一結果並不符合其它的觀測以及理論。」俄亥俄州立大學的天文學家Scott Gaudi教授如此評價[5]。2016年，清華大學本科生馬思政與合作者通過行星核心吸積理論所得出的流浪行星引發的微引力透鏡事件的發生頻率，僅僅是MOA結果的1/13[6]。

「如果將木星大小的行星比做相撲手，大概能更好地理解MOA結果的匪夷所思之處，」美國藝術與科學院院士、行星領域專家林潮教授打了這樣一個比方[5]，「木星可以輕易地將小質量行星『拋出』恆星系統，就如同相撲手將小孩扔出賽場一樣輕鬆。但相撲手之間卻需要花很大力氣才能將對手淘汰出局。問題是，MOA不僅宣稱有大量的相撲手被扔了出去，而且扔出去的居然比留下的還要多。」

而在今年7月24日，來自波蘭的OGLE觀測組織在《自然》雜誌公布了其對2010至2015年間2617個（6倍於MOA的樣本）微引力透鏡事件的分析，結果表明：流浪行星的數量上限是恆星數量的0.25倍，而最大可能是恆星數目的0.05倍[7]。

這一結果與理論預期以及紅外的觀測結果基本吻合。但MOA的領導者之一David Bennett教授，依然選擇堅持自己的結論。他將MOA與OGLE結果的不同，歸咎於樣本的收集以及分析方法的差異：兩者樣本收集的天區不同，而且OGLE將一部分MOA認為是巨行星的事件，歸類為褐矮星事件（褐矮星被稱為「失敗的恆星」，它由於質量不足無法成為燃燒的恆星[8]，質量約為13到80個木星質量）。

引人注目的是，OGLE同時還公布了6個時標短於0.4天的微引力透鏡事件（如圖6所示），這些事件被認為是由1到10個地球質量的流浪行星引起的。OGLE文章的第一作者Mroz認為：「由於OGLE對如此短時標事件的探測靈敏度非常低，因此，『流浪地球』在宇宙中應該相當普遍，可能超過了恆星的數目。」[5]

遺憾的是，由於目前的觀測限制（OGLE只有一台1.3米望遠鏡），他們很難估計「流浪地球」數目。而在全球有三台1.6米望遠鏡的KMTNet，自2015年開始了對微引力透鏡事件的全面搜尋，其未來發布的統計結果將有助我們對流浪地球的數量建立更清晰的認識。

? 圖6. OGLE發現的6個極短時標事件。左邊是這些事件發生時的信號，右邊是這些事件5.5年的亮度變化曲線 （圖片來源：文獻[7]）。

MOA和OGLE真的觀測到了那麼多流浪行星？

雖然MOA和OGLE宣稱其觀測到了幾十個流浪行星的候選者，然而，這些短時標事件也可能根本不是由微引力透鏡效應引起的。微引力透鏡事件的典型特點是其（幾乎）不會重複發生，而由其它因素導致的恆星自身亮度變化一般都是會重複的。但由於恆星自身亮度的短暫變化很難被再次捕捉到，這就可能讓我們誤以為亮度變化是由微引力透鏡效應引起的。典型的例子就是OGLE-2015-BLG-1278事件，它的「時標」不到1天，但是2016年的跟蹤觀測發現了重複的信號（如圖7），才讓我們意識到這並不是一個微引力透鏡事件。

? 圖7. 左圖是對OGLE-2016-BLG-1278事件2015年信號區域的放大，右圖是2015、2016兩年的觀測數據。2016年捕捉到了重複的信號，得知該事件並不是由微引力透鏡效應引起的（圖片來源：Przemek Mroz）。

短時標微引力透鏡事件也可能是由高速穿過的恆星或者褐矮星導致。例如，OGLE-2016-BLG-1231這一微引力透鏡事件的時標是2.1天，但俄亥俄州立大學的天文學家祝偉通過分析地面觀測數據以及開普勒衛星數據，發現引發該事件的透鏡天體只有約25%的可能性是流浪行星（質量小於13個木星質量）。由於現有的樣本容量有限，即使MOA和OGLE的結果加起來，流浪行星的候選者也不過30多個，因此，這種高速穿行的恆星或者褐矮星可能將對統計結果產生較大的影響。

需要強調的是，迄今為止，微引力透鏡並沒有發現任何一個真正意義上的流浪行星，所有觀測到的短時標微引力透鏡事件都只是提供了流浪行星的候選體。目前，天文學家只是通過微引力透鏡時標估計了透鏡天體的質量，並非天體的實際質量。對於短時標事件，精確測量透鏡天體的質量，離不開太空望遠鏡與地面觀測的同步進行。

令人興奮的是，美國國家航空航天局（NASA）計劃於2025年左右發射廣域紅外巡天太空望遠鏡WFIRST，它將執行約432天的微引力透鏡搜尋任務。也許到那時，關於流浪行星的數量以及其在銀河系中的分布問題，會迎刃而解，而流浪行星的數目和他們的塊頭（質量）大小分布將對行星形成的理論和動力學演化過程提供寶貴的信息。

流浪行星可以孕育生命嗎？

在沒有恆星源源不斷提供能量的情況下，流浪行星還能孕育生命嗎？科學家提出了多種可能的情形。比如，熱量可以來自於行星自身的地熱，或來源於放射性元素的分解，甚至被「逐出」的流浪行星的衛星，還能通過潮汐力給予流浪行星熱量[10]。而如果流浪行星有非常厚的大氣層，大氣層富含氫氣[11]，或者表面有一層10千米左右的冰層[12]，那麼流浪行星就有可能存在液態水，從而為孕育生命提供可能。

最後，也許有人要問，我們為什麼花費那樣大的氣力去搜尋這些母星都不眷的流浪行星？也許David Bennett教授的回答能幫我們窺得一二，「如果你想要了解地外生命的可能性，那麼不應僅僅搜尋那些和地球大小、軌道相近的行星。一個行星是否可居與很多因素相關：它的大氣、它的歷史、它的含水量等等，而所有這些因素追溯回去，將與行星形成的細節息息相關。所以，如果我們真的要去尋找地外生命，首先需要去了解行星形成的過程，而一些行星會在這一過程中被『扔出』，然後成為流浪行星。」[5]

作者介紹：

臧偉呈，清華大學研究生，研究興趣為搜尋太陽系外行星和微引力透鏡。

毛淑德，清華大學教授、國家天文台研究員，主要研究方向：星系動力學、系外行星搜尋、引力透鏡以及暗物質研究。

參考文獻：

[1] Beaulieu, J.-P., et al. 2006, Discovery of a Cool Planet of 5.5 Earth Masses Through Gravitational Microlensing, Nature, 439, 437B (https://arxiv.org/abs/astro-ph/0601563)

[2] Mao, S., Paczynski, B. 1991, Gravitational microlensing by double stars and planetary systems, APJ, 374L, 37M (http://adsabs.harvard.edu/abs/1991ApJ...374L..37M)

[3] Mao, S. 2012, Astrophysical Applications of Gravitational Microlensing, RAA, 12, 947M (https://arxiv.org/pdf/1207.3720.pdf)

[4] Sumi, T., et al. 2011, Unbound or distant planetary mass population detected by gravitational microlensing, Nature, 473, 349S (https://arxiv.org/pdf/1105.3544.pdf)

[5] Billing, L. 2017, Wandering in the Void, Billions of Rogue Planets without a Home (https://www.scientificamerican.com/article/wandering-in-the-void-billions-of-rogue-planets-without-a-home/)

[6] Ma, S. et al. 2016, Free-floating planets from core accretion theory: microlensing predictions, MNRAS, 461L, 107M (https://arxiv.org/pdf/1605.08556.pdf)

[7] Mroz, P. et al. 2017, No large population of unbound or wide-orbit Jupiter-mass planets, 10.1038/nature23276 (https://arxiv.org/pdf/1707.07634.pdf)

[8] https://baike.baidu.com/item/%E8%A4%90%E7%9F%AE%E6%98%9F/493341?fr=aladdin

[9] Henderson, C. B., et al. 2016, Campaign 9 of the K2 Mission: Observational Parameters, Scientific Drivers, and Community Involvement for a Simultaneous Space- and Ground-based Microlensing Survey, PASP, 12814401H (https://arxiv.org/pdf/1512.09142.pdf)

[10] Debes, J. H., Sigurdsson, S., 2007, The Survival Rate of Ejected Terrestrial Planets with Moons, APJ, 668L, 167D (http://adsabs.harvard.edu/abs/2007ApJ...668L.167D)

[11] Stevenson, D. J. 1999, Life-sustaining planets in interstellar space?, Nature, 400, 32S (http://adsabs.harvard.edu/abs/1999Natur.400...32S)

[12] Abbot, D. S., 2011, The Steppenwolf: A Proposal for a Habitable Planet in Interstellar Space, APJ, 735L, 27A (http://adsabs.harvard.edu/abs/2011ApJ...735L..27A)

製版編輯：呂浩然丨

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