零距離科學:既然物理定律是通用的,太陽系行星形成理論在宇宙「處處通行」?

零距離科學:既然物理定律是通用的,太陽系行星形成理論在宇宙「處處通行」?
Photo credit: NASA/JPL-Caltech
我們想讓你知道的是

在不遙遠的將來,來自其他星系的新知識會怎樣繼續打破我們對世界的理解呢?在浩翰無限的宇宙,又如何探尋當中有可能孕育生物的行星呢?

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文:鄭昭彤(東京大學地球與行星科學系博士生)
圖:香港電台

小學常識題:試從離太陽距離近到遠列出太陽系的行星。

當然,一般人很少真的馬上能背出來。然而即使記不清八大行星的名字和排列,你的腦海也許會浮現這樣的一個畫面:靠近太陽的是幾顆比較小的行星,稍遠的是體積比較大的行星。前者包括水星、金星、地球和火星,體積和質量都比較小,像地球一樣主要成分是岩石,並且有固態表面,被歸類為「類地行星」(terrestrial planet);後者包括木星、土星、天王星、海王星,主要成分是氣體和冰,密度雖然低,但體積質量均較類地行星大幾倍以上,被稱為「類木行星」或「氣態巨行星」(gas giant)。

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最接近太陽的行星(圖中心)質量和體積都相對小,而像木星(圖右)和土星(圖左)這種較大的行星則在比較外圍的位置。

為甚麼類地行星都在內太陽系,而類木行星只能待在太陽系外圍呢?喜愛尋找自然規律的科學家在十八世紀已經對此提出了解釋:

原始太陽形成後,星雲中剩下的氣體和塵埃互相碰撞、黏合,慢慢形成較大的塊狀物。數百萬年後,有些塊狀物成長為直徑到一公里以上的「微行星」(planetesimal)。雖然聽上去和行星的規模相差甚大,但此時這些的重力已經足夠大吸引、積累附近的微行星和其他物質,最終形成現在的行星。

距離太陽較近的位置,水和甲烷等易揮發的分子難以聚集,能夠聚集的物質溶點都較高,例如矽酸鹽和鐵,也就是類地行星的主要成分。當與太陽的距離超過了所謂的「凍結線」(frost line) ,水分子凍結成固態的冰,令原始行星可以迅速成長,形成比地球質量十倍的核心,重力亦足夠大吸引更多氣體,最終形成大氣層很厚的類木行星。

換言之,太陽系存在著一條看不見的「凍結線」。凍結線以內只能形成類地行星;超過凍結線的地方則只能形成類木行星。

其他恆星附近如果有行星,也會遵守這個規則嗎?在90年代,科學家雖還未觀測到系外行星(exoplanet),但既然物理定律是通用的,想必這個行星形成理論也能應用在宇宙任何一處吧?

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瑞士天文學家Michel Mayor與Didier Queloz分析望遠鏡收集的資料,宣佈找到第一顆系外行星──飛馬座51b。

1995年10月6日,瑞士天文學家Michel Mayor與Didier Queloz利用「擺動法」成功在距地球50光年外發現第一顆系外行星──飛馬座51b(51 Pegasi b,又名Bellerophon,古希臘英雄的名字)。根據計算,飛馬座51b的質量是地球質量的150倍以上,約為木星質量的一半,也如木星般有非常厚的大氣層。

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天文學家尋找系外行星的一個方式叫「擺動法」。行星在軌道上移動時會導致恆星稍為移位,並令觀測出現紅移或藍移。

能夠探測到首顆系外行星令天文界大為振奮,但同時科學家卻發現不對勁的地方:

木星隔離太陽約5天文單位(7億公里),飛馬座51b與它公轉的恆星飛馬座51卻只有0.05天文單位。放在太陽系來說,飛馬座51b比水星還要接近太陽!行星與恆星的距離愈近,公轉周期愈短。太陽系公轉周期最短的是水星,只有88天,而飛馬座51b的公轉周期更短,只有4天——即是說上班族好不容易從星期一熬到星期五,飛馬座51b的居民已經在慶祝第二次「新年」了!不過飛馬座51b表面溫度超過攝氏一千度,大概是住不下任何「居民」啦。

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飛馬座51b的質量至少是木星的一半,但與母恆星的距離卻比水星和太陽的距離更近,是典型的「熱木星」。

不是說恆星附近只能形成類地行星嗎,飛馬座51b怎麼看也比較接近類木行星吧?這個發現顛覆了當時天文學家對行星形成的理解,他們提出不同理論試圖解釋這種「熱木星」(hot Jupiter)的形成。有人提出它是先在距離恆星較遠的位置形成,再遷移到現時的軌道;也有另一批科學家認為熱木星的前身是比地球2到5倍的「超級地球」,日積月累吸附周圍的氣體,漸漸就吃成了現在看到的「大胖子」。此外還有其他理論,現今仍未有定論。

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科學家推測飛馬座51b和我們熟悉的木星一樣,大氣層很厚。實際上現時我們所知依然不多,還待未來的科學觀測帶來進一步的細節和驗證。

2009年,開普勒太空望遠鏡(Kepler space telescope)正式投入運作,在短短9年間已發現超過2600顆系外行星的踪影,為科學界帶來一次又一次驚喜,例如,熱木星並不罕見,至今已發現幾百顆。熱木星以外,科學家陸續發現更多相對太陽系而言的「怪胎」: 質量遠比木星大但體積卻相約的「超級木星」、軌道怪異的行星等等,就連剛才提到的「超級地球」也是其中之一。

據估算,約六成和太陽相似的恆星附近都有一顆超級地球。可是,為甚麼超級地球沒有直接演變成更大的氣態行星呢?這些超乎「常識」的發現並沒有令科學家氣餒,反而勾起科學家的好奇心。

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開普勒太空望遠鏡(Kepler space telescope)於2009年投入運作、2018年正式退役,九年間為科學家發現了超過2,600個在太陽系外的行星。

30年前,天文學家只能根據我們對太陽系的認識解釋行星如何形成。30年後的今日,我們知道原來太陽系只是宇宙中眾多可能性中的其中一個。在不遙遠的將來,來自其他星系的新知識會怎樣繼續打破我們對世界的理解呢?在浩翰無限的宇宙,又如何探尋當中有可能孕育生物的行星呢?一連四集的《零距離科學:太空任務》,將帶領我們遊走人類尋找外行星的過去與將來。

節目簡介:

《零距離科學》集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31及31A播出播映,本集「太空任務:尋找」於7月19日播出。港台網站tv.rthk.hk及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫:www.rthk.hk/tv/dtt31/programme/sciencewithyou

(文章標題為編輯所擬,原標題「零距離科學──太空任務:尋找」)

責任編輯:歐嘉俊
核稿編輯:黎家樂

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