出身苦寒的「大雪球」何以變得熾熱？| 天問專欄
?Pierre-Simon de Laplace天體力學鴻篇巨著 Mécanique céleste 1828年版封面，他也是第一位利用完整的數學公式建立行星形成理論的偉大科學家。圖片來源：耶魯大學教授Gregory Laughlin拍攝於UCSC Science Library.
編者按：
幾千年來，人們對行星系統形成與演化的理解都來自於對太陽系的研究。就在太陽系家族中，一位母親散發著光芒，八個孩子的境遇卻不盡相同：小女兒水星離娘最近，被「溫暖」環繞；地球離娘家就隔了兩條街，不冷不熱、距離剛好；長子木星卻出身苦寒，像個「大雪球」一樣，住在遠方，備受冷落。
百多年間，科學家們一直致力於在太陽系外尋找類似的「一家幾口」，結果是：類似地球這樣「多子」的家庭是否存在還未可知，但是各家長子的境遇卻不盡相同。有的跟太陽系一樣備受冷落，有的卻備受寵愛，被溫暖環繞。
這是為什麼？天問專欄第十七期，帶你揭開類木星的冷暖之謎。
撰文 | 王松虎（耶魯大學）
責編 | 呂浩然
知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual
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人類永遠難以擺脫的就是那與生俱來的、莫名的孤獨感。
千百年來，我們在不斷追問：太陽系在宇宙中是特殊的嗎？我們腳下的這個藍色星球是人類唯一賴以生存的家園嗎？茫茫宇宙中，還有其他生命嗎？
我們正處在人類歷史上一個前所未有的時代，一個前所未有的接近這些問題答案的時代。
下一個太陽系
人類認識宇宙的歷史，也是人類不斷正確認識自身在宇宙中位置的歷史。418年前燃燒在羅馬鮮花廣場上，那吞沒喬爾達諾·布魯諾身軀的熊熊烈火，告誡著人們對紅太陽不敬的嚴重後果，也向在寬敞明亮的教室里學習的我們訴說著先烈們為人類每一次進步付出過怎樣的代價。太陽說到底是星星，只不過離我們更近一點罷了。從那時起，人類就再也不能抑制尋找下一個太陽系的渴望。
作為一個受過職業訓練（這不是吹噓自己，主要是吹噓老闆）的天文工作者，我經過長期課餘時間觀（八）測（卦）發現，僅僅產生找到男（女）朋友的渴望是不足以讓你找到男（女）朋友的。同理，僅僅產生尋找下一個太陽系的渴望也是不足以讓我們找到下一個太陽系的，我們首先得想清楚：我們想要找到一個什麼樣的太陽系。
如果你想找一個圍繞另一個類似太陽的恆星旋轉的、有八個行星的系統，其中第三顆岩石行星公轉一圈恰好是365天，而且這個行星上恰好有一個你在看一個叫王松虎的天文工作者寫的文章。我可以負責任的告訴你，死了心吧！宇宙中沒有這樣的太陽系。
既然我們找不到和「現任」一模一樣的「下一任」（何苦呢？），那麼，我們能不能找到一個與太陽系「大體一樣」的系統呢？所以橫亘在尋找下一個太陽系之前的首要問題，就是這個「大體一樣」是怎麼個「大體」法。
太陽系的特徵
想說明太陽系的大體特徵，真是千言萬語不及一幅畫。
我們可以從圖1里看出，太陽系有八顆行星（冥王星，我們想念你！）。在離太陽比較近的地方，依次是水星、金星、地球、火星四顆比較小的行星（small planets）；離太陽比較遠的是木星、土星、天王星、海王星這四顆比較大的行星（Jupiter-like planets）。
?圖1. 太陽系基本構型。內太陽系行星較小，外太陽系行星較大。水星是離太陽最近的行星，水星軌道以內什麼都沒有。然而熱木星（大小與木星類似，表面溫度很高的行星）距離其主星的典型距離（軌道公轉周期為3天），只有水星距離太陽距離的1/10。直到今天，我們依舊不理解為什麼會有熱木星這樣一種行星存在。圖片來源：科學像素。
太陽系最大的行星是木星，它的質量是地球質量的三百多倍，如果地球是個3歲的孩子，木星就是一頭非洲象。木星比太陽系其它所有行星加起來還重好多。在家裡誰脾氣大誰說了算，而在行星系統中誰質量大誰說了算。現有的太陽系形成理論普遍認為，木星在太陽系動力學演化過程中起著主導作用[1,2,3]。
木星離太陽很遠，其表面溫度低達零下150攝氏度！於此形成鮮明對比的是水星，水星離太陽比較近，其向陽面的溫度可達430攝氏度。水星是離太陽最近的行星，水星軌道以內，什麼都沒有！
太陽係為什麼會有這種外面四顆行星比較大、裡面四顆行星比較小，最裡面又什麼都沒有的構型呢？
我們可以把行星形成想像成雪球形成：離太陽特別近的地方，雪都被烤化了，不能形成雪球很正常；稍遠一點的地方，沒那麼熱了，有點雪了，可以滾出較小的雪球；特別遠的地方特別冷，雪很厚，很容易滾出很大的雪球，木星就是那個最大的雪球。我們抱著對太陽系如此「成熟」的理解，開始了一段驚心動魄地搜尋下一個太陽系的旅程。
第一顆太陽系外行星：51 Pegasi b
如何探測太陽系外行星真的是人類智慧結晶的體現，本該花些時間在這裡仔細介紹，但是每當我指著一張光變曲線圖對別人說這是凌星法探測系外行星的時候，總有一種回到小學英語課堂, 英語老師嚴肅的指著一張汽車圖片說「This is a car」的感覺。
總而言之，搜尋繞著別的太陽公轉的行星很難，其間的難度不亞於站在霧霾籠罩的北京試圖找到南京秦淮河路燈旁的一隻螢火蟲。然而世界上總有那麼一些東西，讓我們願意克服一切困難去追尋。雖然現在已經探測到上千個太陽系外行星系統，但我還是願意一遍遍地回顧那個人類歷史上里程碑的一天。
1995年10月6日，日內瓦天文台的Michael Mayor和Didier Queloz發表文章宣布，他們探測到了第一顆圍繞主序星的太陽系外行星51 Pegasi b [4]，這顆行星大小與木星類似，但神奇的是，這顆木星距離它的主星（它自己的太陽）如此之近，以至於其表面溫度居然高達上千度（所以我們稱其為熱木星）！
這就好比全國物理競賽，題目是找雪球。絕大多數學生都去東北、新疆、內蒙古找，有條件的去北歐、格陵蘭島找，最差也留在北京碰碰運氣，然而接下來出現了電影里都編不出來的劇情：第一個雪球居然是兩個同學（Michael和Didier）在三亞桑拿房裡找到的，還是個大雪球！為什麼三亞桑拿房裡會有一個大雪球？！
盤遷移理論的提出
著名理論天體物理學家，加州大學聖克魯茲分校的林潮教授在51 Pegasi b發現六個月後，就提出了盤遷移理論對其存在進行解釋[5]。盤遷移理論認為，根據經典行星形成核吸積模型[6], 51 Pegasi b這樣的大雪球不可能在離太陽很近的地方形成，而是應該在類似太陽系木星所在的，離太陽比較遠的地方形成。
因為那裡溫度較低，固體物質充足，在形成一個由岩石組成的約10倍地球質量的核之後，迅速吸積氣體，成長成為木星。之後這顆木星在與周邊殘餘的行星盤（可以簡單的理解成滾雪球剩下的雪）的相互作用下，逐步從初始形成的高原苦寒之地，遷移到距離太陽很近的，也就是它現在所處的酷熱無比的地方（圖2）。
?圖2. 太陽系外行星分布圖。從圖中可以看出，太陽系外行星大體可以分為三類：一類是質量較小的small planets；一類是質量較大，距離其主星較遠的冷木星cold Jupiters，我們太陽系的木星就屬於這一類；還有一類就是本文主人公，質量較大，且離主星較近的熱木星。現有的熱木星形成理論，通常由兩部分組成，一部分是核吸積過程，這個過程早年間爭議很大，但現在已經被廣泛認可。另一部分是軌道遷移，這個過程充滿爭議。我們還不清楚這個遷移過程到底是一個激烈的過程，還是一個平靜的過程。圖片來源：科學像素。
觀測帶來的挑戰
再美好的理論，也要接受觀測的檢驗。在具體展開盤遷移理論是如何接受觀測檢驗之前，我們需要補充強調一下太陽系的另一個廣為人知的特點，如圖3所示：太陽系的八大行星都在一個平面上繞太陽公轉，而且它們的公轉方向與太陽自轉的方向基本一致。八大行星所處的這個平面就是就是前文提到的盤所在的平面。
根據盤遷移理論，我們可以想像，假使木星在盤裡形成，又從距離太陽較遠的地方，在盤裡逐步遷移到距離太陽很近的地方，那麼它的公轉方向理應始終與太陽的自轉方向保持一致。
?圖3. 太陽系八大行星在同一平面內繞太陽公轉，這個平面和太陽自轉平面一致。是不是太陽系外行星的運行，也是這麼有序呢？圖片來源：科學像素。
那麼熱木星的公轉是否和它的主星的自轉方向一致呢？
2000年，發現51 Pegasi b的天文學家Didier Queloz（現在就職於劍橋卡文迪許實驗室）首次測量了熱木星（HD209458b）的公轉與其主星自轉方向的一致性——結果非常一致[7]。接下來幾年，世界各地的研究人員對其它幾個熱木星的測量也都得到了類似結果。那時真可謂是盤遷移理論的黃金時代！
然而生活就像打麻將，你永遠不知道下一張牌是什麼。在盤遷移理論聽牌坐等和的時候，卻摸出一個XO-3b。2008年法國天文學家Guillaume Hébrard通過觀測發現，熱木星XO-3b的軌道公轉方向和恆星自轉方向居然不一致[8]！接下來的十年，大量觀測證明，XO-3b不是一個人在戰鬥，相當多的熱木星的公轉方向與其主星的自轉方向都不一致[9]。
到底是哪裡出了問題？
一種可能是，行星的確像盤遷移理論認為的那樣，在盤裡出生，在盤裡長大，在盤裡游來游去。但是這個盤有可能和恆星自轉本來就有個夾角。關於這個夾角是怎麼來的，有很多種理論解釋。由於這些解釋涉及恆星形成與演化[10,11]，磁場和行星盤相互作用[12]等複雜的物理過程，在這就不一一展開了。
另一種可能：動力學遷移模型
讓我們重新回到我們想要解決的問題：在離太陽很遠的地方有一顆行星，你要把它送到離太陽很近的地方，該怎麼做？對於一個足球迷來說，我們可以把這個問題直接鏡像成一個足球問題，你在離球門很遠的地方有一個球，你要把它送到離門很近的地方，你該怎麼做？盤遷移理論就像行雲流水的巴薩，通過地面配合將球送至對方禁區。但是英超球迷不怎麼喜歡這種不溫不火的踢球方式，他們更希望足球直接被一個大腳送到對方禁區——這就是動力學遷移模型。
在盤遷移理論提出的同年底，天體動力學家Fred Rasio和Eric Ford發表文章指出，如果在距離太陽較遠的木星形成區，形成了不止一顆木星，這些木星由於靠得很近，之間會發生激烈的動力學相互作用，其中的一顆木星有可能被一個大腳送到太陽身邊，從而形成熱木星[13]。
2003年，多倫多大學的天體動力學家武延慶與Norman Murray進一步提出，系統中如果存在其它恆星（「天有二日」），那麼出身「苦寒」地帶的木星，也有可能被第二顆太陽通過Kozai-Lidov效應[注]送到第一個太陽身邊[14]。
由於這種英式開大腳的動力學遷移方式比較激烈，可以輕易地將行星送離原本所在的運動平面，從而很好地解釋了熱木星公轉和主星自轉方向不一致的觀測特性，因此備受青睞。
按照動力學遷移理論的理解，我們太陽系的行星公轉和太陽自轉方向之所以基本一致的原因，很可能是因為我們太陽系這樣有序的多行星系統，並沒有經歷過被開大腳的的慘烈過程。
那麼問題又來了：是不是所有的、有序的多行星系統的行星公轉和其主星自轉方向都一致呢？對這個問題「是」或者「否」的回答，很可能會成為主導這場「盤遷移vs.動力學遷移」爭論的勝負手。
迄今為止，科學家們對四個（具有一致統計意義的）多行星系統的觀測結果顯示（圖4），正如動力學遷移理論預言的一樣，它們的行星公轉和主星自轉方向的確都一致[13]。但不要忘記，當年最早測量的六個熱木星的公轉軌道也和主星自轉軌道方向一致，結果怎麼樣？即將於4月16日發射的NASA空間衛星TESS，將會發現更多的、可被地面望遠鏡有效觀測的多行星系統，讓我們有機會來對這個問題進行更大樣本的、更深入的研究。動力學遷移機制躲過了初一，躲不躲的過高三呢？我們拭目以待。
?圖4. 熱木星（如XO-3）的行星公轉軌道和主星自轉軌道並不是總一致。然而，多行星系統（如Kepler-9）的行星公轉軌道和主星自轉軌道基本一致。這讓我們不禁懷疑，熱木星可能經歷過一些比較激烈的遷移過程。圖片來源：科學像素。
熱木星是否孤單？
由於現有的技術還無法直接觀測行星形成和遷移的整個過程，所以想判斷這些大雪球到底是通過激烈的動力學過程，還是平靜的與盤相互作用遷移到三亞桑拿房的，我們只能通過其表現出的特性來進行邏輯推斷。
由於動力學遷移過程非常激烈，通常會把一路上的其它行星全部趕走，所以動力學遷移預測熱木星應該比較孤獨，周圍沒有其它行星。與之相反，盤遷移理論里的木星，在遷移過程中更加氣定神閑、不慌不忙，不會像彭城之戰的劉邦那樣——為了跑路，拋妻棄子。因此，盤遷移理論預測熱木星周圍應該還有其它行星。由此可見，熱木星周圍到底有沒有其它行星是區分這兩種理論的另一個關鍵所在。
Jason Steffen和Chelsea Huang對約1/5已知的熱木星進行了高精度的觀測研究，結果並沒有發現它們周圍存在其它行星[14, 15]。一個盒子有5個黑（白）球，你先閉著眼睛摸出來1個，一看是白的，你敢不敢說，剩下4個都是白的？雖然我不敢說剩下的都是白的，但我至少敢說這5個球不全是黑的。同理，熱木星不應該全是由盤遷移送到太陽身邊的。
就在動力學遷移形勢一片大好的時候，Juliette Becker在2015年從Jason Steffen和Chelsea Huang沒有抽的4/5的球里抽出一個非常重要的球——WASP-47。她通過高精度觀測發現，熱木星WASP-47b周圍存在兩顆之前由於觀測精度不足，沒有被發現的行星[16]！這一觀測結果使得問題變得更加撲朔迷離。這個盒子里的球到底多少是黑？多少是白？到底有多少熱木星周圍存在其它行星？
值得期待的是，TESS空間衛星在接下來的兩年里將抽遍盒子里的每一個球，進而觀測它們究竟「是黑是白」。屆時，我們將有機會對持續了20多年的熱木星遷移之謎，有一個終極的認識。
太陽係為什麼沒有熱木星？
當我們聊了這麼多太陽系外行星系統里木星的遷移之後，再回過頭來看我們的太陽系，可能即刻想到的一個問題就是：我們太陽系的木星為什麼沒有遷移到離太陽很近的地方？那頭非洲象為什麼沒有朝著太陽賓士而去，並從地球這個三歲孩子的身上呼嘯而過，進而將寄居在他身上的所有生命碾得粉碎？
一種可能是木星只能通過動力學遷移方式由寒冷的邊疆搬到酷熱的海南島。由於太陽系沒有第二個太陽，也沒有足夠多的雪形成與木星質量相當的其它行星，沒有誰有能力將木星一腳送到太陽身邊。
另一種可能是由法國尼斯天文台天體力學家Alessandro Morbidelli提出的：盤遷移的確是一個靠譜的物理過程，我們太陽系的木星曾經就在盤裡向內遷移過，但是沒走多遠就被土星拉住了，而且還被拉著往回走了一段[2]。「If you love someone, put a ring on her. 」現在我終於理解土星為什麼有土星環了（rings），她拯救了太陽系啊（阻止了木星向內遷移）！如果這個對「太陽系裡木星為什麼沒有變成熱木星？」的理解是對的，那麼是不是系外行星系統中，每一個願意生活在苦寒地帶的木星，都有一個能留住他的土星呢？
這就是為什麼我在可居住系外行星如此有公眾緣的情況下，依然選擇了行星的形成與演化這個主題的緣由。只有我們真正理解了行星的形成、演化規律之後，才能理解太陽系的普遍性與特殊性。也只有我們真正理解熱木星的起源之後，才能真正理解我們為什麼有機會在這個微如塵埃的藍色星球上生存、繁衍。
*註：更多有關Kozai-Lidov效應的內容，請關注作者個人公眾號「王松虎」進行了解。此處因篇幅有限，並未作展開。
作者簡介
· 王松虎，耶魯大學51 Pegasi b Fellow. 2016年畢業於南京大學天文與空間科學學院，獲天文學博士學位。主要從事與太陽系外行星形成與演化相關的觀測、理論、及動力學研究。
參考文獻:
[1] Tsiganis K., Gomes R., Morbidelli A., & Levison H. F. 2005, Nature, 435, 459
[2] Walsh K. J., Morbidelli A., Raymond S. N., OBrien D.~P., & Mandell A.~M. 2011, Nature, 475, 206
[3] Batygin K., & Laughlin G. 2015, Proceedings of the National Academy of Science, 112, 4214
[4] Mayor M., & Queloz D. 1995, Nature, 378, 355
[5] Lin D. N. C., Bodenheimer P., & Richardson, D. C. 1996, Nature, 380, 606
[6] Pollack J. B., Hubickyj O., Bodenheimer P., et al. 1996, Icar, 124, 62
[7] Queloz D., Eggenberger A., Mayor M., et al. 2000, A&A, 359, L13
[8] H ?ebrard, G., Bouchy F., Pont F., et al. 2008, A&A, 488, 763
[9] Winn J. N., & Fabrycky D. C. 2015, ARA&A, 53, 409
[10] Bate M. R., Lodato G., & Pringle J. E. 2010, MNRAS, 401, 1505
[11] Rogers T. M., Lin D. N. C., & Lau H. H. B. 2012, ApJ, 758, L6
[12] Lai D., Foucart F., & Lin D. N. C. 2011, MNRAS, 412, 2790
[13] Wang S., Addison B., Fischer D.~A., et al. 2018, AJ, 155, 70
[14] Steffen J. H., Ragozzine D., Fabrycky D. C., et al. 2012, Proceedings of the National Academy of Science, 109, 7982
[15] Huang C., Wu Y., & Triaud A. H. M. J. 2016, ApJ, 825, 98
[16] Becker J. C., Vanderburg A., Adams F. C., Rappaport, S. A., & Schwengeler H. M. 2015, ApJ, 812, L18
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