发现巨大行星核,比30多个地球还
为什么宇宙中有那么多“无家可归
在已知的宇宙中,最危险的东西是
天文学家发现巨大星系的古代宝藏
谁为行星命名?又是谁决定该如何

为什么宇宙中有那么多“无家可归”的星球?

2020-09-02 18:00 主页 来源:未知
为什么宇宙中有那么多“无家可归”的星球?


我们普遍会将行星等同于环绕母星运行的气态巨行星或者岩态行星。就恒星来说,银河系中有数千亿颗。每一颗恒星都有着自己独特而多样的出身和历史。有些恒星巨大而明亮,有的则渺小而昏暗。谈到它们的历史,有的在几百万年前才形成,而有的和宇宙本身一样年老。在这之中,它们有一个普遍的特点:恒星系统。正如开普勒探测任务和其他太阳系外行星研究表明的那样:如果你想找到行星,你只需要很轻松的选择一颗恒星,然后观察它的四周:你就可以发现不只一颗行星而是整个星系。

为什么宇宙中有那么多“无家可归”的星球?它们的结局如何?

 

图源: Axel M. Quetz (MPIA).

但是在此之外,除了这些恒星和围绕它们运行的天体,在银河系中还有大量没有中央恒星的行星:它们是宇宙中的流浪行星。我们认为,从小的星团到星际空间再到巨型星系中心,流浪行星无处不在。据我们所知,这些在宇宙中漫无目的流浪行星的数量至少可以比肩我们已经确定的行星,而且它们可能会更多。这就意味着,虽然你能看到宇宙中来自各个地方的光,但宇宙中还是存在着大量观测不到的星体,因为它们自身并没有发出可见光的能力。

为什么宇宙中有那么多“无家可归”的星球?它们的结局如何?

 

图源: Southwest Research Institute.

根据观察,我们已经观察到了大量潜在的流浪行星“候选者”。“候选者”是一个很重要的词语,因为我们并没有精确的探测技术来确定它们是否是真正的流浪行星。尽管使用了最先进的探测设备,但确定它们还是一件难事(即使如此,也只能通过他们发出的微弱红外热信号才能发现)。所以我们确信,它们的数量比我们已经观测到的要大得多。另外,在难以发现这个事实之外,我们还是找到了很多潜在的对象。如果你对此好奇,你便会情不自禁地去想,这些流浪星球到底来自哪里!

关于这些行星的来源,这里有个能令人信服的回答。

为什么宇宙中有那么多“无家可归”的星球?它们的结局如何?

 

图源: NASA / JPL-Caltech.

我们都对类似太阳系的形成有所了解:当引力坍缩创造了一个可进行核聚变的区域,最终在这区域中会形成一个被原形星盘包围的中央恒星。原形星盘中会出现引力扰动,从它的周围吸引越来越多的物质。同时,新形成的中央恒星会会渐渐放出热量,将大部分最轻的气体吹向星际介质。随着时间的推移,这些由引力扰动吸引来的物质会聚集成为小行星、岩态行星,并且最终汇聚成最大的气态巨行星。

实际上,这些形成的行星并不仅仅环绕中心恒星运行,它们之间还被各自的引力束缚。一段时间后,这些行星会达到所能达到的最稳定的状态,这通常意味着体积最大、质量最大的行星会以牺牲其他更小、更轻的行星为代价。那么,对于这些在“星球永久居住权”争斗中的失败者来说,结局如何呢?它们要么通过合并被吸收,快速投入恒星的怀抱。要么,它们最有可能被踢出所在的恒星系统,从而进入星际空间。

这一项模拟研究表明,在每一个像我们太阳系一样富饶的星系的形成过程中,至少会有一个气态巨行星被踢出去,进入介质中。从而,它就注定成为一个流浪行星,在宇宙中漫无目的地流浪。此外,在每个恒星系中被踢出的更小的岩态行星数量可能高达5-10个。这也似乎就是流浪行星的主要来源,它们可能以亿计的数量存在于在我们的银河系中。

但很有趣的是:当我们对数量做出最具有理论意义的推算时,这些被年轻的恒星系所踢出的行星的数量比我们实际推测的一半还要少。那么其余到底都来自哪里呢?为了弄清楚绝大多数流浪行星来自哪里,我们必须同时以一个更大的角度来看这个问题:它们不仅来自于我们太阳系形成过程,而且来自于在同一时间的所有恒星(和恒星系统)的形成过程。

为什么宇宙中有那么多“无家可归”的星球?它们的结局如何?

 

图源: ESO / R. Chini, from the ESO’s Very Large Telescope.

星团产生于寒冷气体的缓慢坍缩。这些气体大多由氢气组成并且通常充斥于先前存在的宇宙。随着云团坍缩的深入,出现了引力非稳定性,同时,最早期的、最重的不稳定物质优先开始吸引越来越多的物质。当足够多的物质聚集在极其狭小的空间,并且这些云团核心的温度处于足够高的状态时,核聚变随即发生,恒星也随之形成。

这个结果并不只是形成了一个新的恒星和恒星系统,而是产生了许许多多的恒星和恒星系统。因为在每一个云团的塌陷形成一个新的恒星的过程中,还剩下足够多的物质能形成更多的恒星。但与此同时,这些星球会遭受厄运。形成的最大的恒星通常是最热、最蓝的星球,会发出最强的电离辐射和紫外辐射。这样会引起宇宙间最为紧迫的生存竞赛。

为什么宇宙中有那么多“无家可归”的星球?它们的结局如何?

 

图源: NASA, ESA, E. Sabbi (STScI), 哈勃望远镜拍摄到的狼蛛星云

当你细致观察宇宙中形成恒星的星云内部,实际上能看到两种同时相互竞争的过程。

1、引力。引力试图把物质拉向这些年轻的、不断增长的引力密度区域。

2、辐射。与此同时,发出的辐射会燃烧区域中的中性气体并将它们吹回星际介质。

到底谁会赢呢?

为什么宇宙中有那么多“无家可归”的星球?它们的结局如何?

 

Image credit: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA), 创造之柱

这实际取决于你对于“赢“的定义。最大的引力异常密度区域会形成最大、最热、最蓝的恒星,它们也是所有恒星中最罕见的。比它们小(但还是巨大)的引力密度区域会形成其他的恒星,但这样的区域会随着质量的不断降低而变得普通。这就是为什么当我们深入观察一个年轻的星团时,通常最容易看到的是最亮(大多数是蓝色的,还有一些其他颜色的)的恒星但它们在数量上是远小于那些质量更小的、黄色的(尤其具有红色特征的)、昏暗的恒星。

为什么宇宙中有那么多“无家可归”的星球?它们的结局如何?

 

图源: NASA & ESA, Acknowledgement: Judy... [+] 由哈勃望远镜拍摄的球状星团Terzan I.

事实是,如果没有那些最年轻的恒星们发出辐射,这些昏暗、红色的或者黄色的恒星本能够变得更重、更亮并且会燃烧得更热。恒星们(在主序列中,也就是大多数恒星)被分成了不同的种类。O型恒星是最热、最大、最蓝的,而M型恒星则是最冷、最小、最红、质量最小的那一类。尽管对于绝大多数的恒星来说,大约有四分之三是M级别的恒星,这和仅占有小于1%质量比例的O型或者B型恒星拉开了差距。但所有M型恒星的质量总和与O型及B型加起来的质量对等。大约250颗M级别的恒星质量之和才能比得上一颗O型恒星的质量!

为什么宇宙中有那么多“无家可归”的星球?它们的结局如何?

 

图源: Wikimedia Commons user LucasVB.

事实证明,在形成恒星的星云当中,有90%的气体和尘埃最终被吹回到了星际介质,而不是用来形成新的恒星。质量最大的恒星形成速度最快,然后就开始将这些能够形成恒星的物质吹出星云。从那开始的之后几百年,周围的物质越来越少,根本无法形成新的恒星。最终,所有剩下的气体和尘埃会被燃烧殆尽。

很好,猜猜还能想到什么?上面所指的M级恒星,并不单单指那些拥有太阳8%到40%质量的,宇宙中最普遍的恒星,而是还包括很多,如果没有被巨大质量的恒星消耗额外物质的话,本能够成为M级恒星的星球。

为什么宇宙中有那么多“无家可归”的星球?它们的结局如何?

 

图源: NASA, the Hubble Heritage Team and Nolan R.... [+] 气体在船底座星云燃烧.

换句话说,在每一个恒星形成的过程中,还有许许多多未能达到质量标准的失败星球。在任意一颗实际意义上的恒星形成时,它们的数量可以从十到成百上千不等。

试想一下这样的事实,我们的太阳系曾包含着成百甚至上千个,符合地球物理学定义的天体。但从天文学的角度,它们由于轨道位置而被排除在外。现在想想,对于每一颗像我们太阳这样的恒星,还存在着成百上千,仅仅因为没有达到足够的质量从而不能在核心实现核聚变的失败的星球。这些就成为了无家可归的行星们,或者说是流浪行星。它们的数量远超太阳系的行星,以及在轨的所有行星。这些从一出生就没有母星的星球有着一个最令人感伤的宇宙学名称:孤儿星球。它们可能有大气层,也可能没有,并且它们也许是最难被探测到的那一类。尤其(理论上)是这么多普遍的:体积最小的一类。但如果你从数学的角度来说,与任何一个像地球一样在宇宙中环绕恒星运行的行星相较,现在可能有数量达到十万的行星并没有特定的轨道,并且最有可能从来没有过。它们实在太难被找到了。

为什么宇宙中有那么多“无家可归”的星球?它们的结局如何?

 

图源: ESO/P. Delorme, of orphan planet CFBDSIR2149.

所以,我们可能观察到一些被年轻的类太阳星系拒绝的流浪行星,甚至在宇宙中有很多就来自于我们的太阳系。不过在宇宙中存在着大量的行星甚至没有一颗恒星可以依靠。流浪行星在宇宙中无尽地漫游,它们中的大多数只能注定永远处于寂寞的状态,甚至从来都没有感受到母星的温度。它们潜在的母星,很有可能被恒星进化过程所阻碍,因为它们自身在进化过程中曾有可能会成为恒星。我们所处的宇宙可能存在着千万亿这样的世界、天体,而我们的探索之路才刚刚开始。星际空间可能缺乏能发光的天体,但有一点能确定的是,宇宙中还存在着大量的未知世界等待着我们旅途中去发现。