茫茫宇宙间,有一群“悲情”的天体——流浪行星(free-floating planets)。顾名思义,流浪行星不像我们的地球一样,时刻绕着自己的“太阳”运行,而是如同流浪汉一样,在宇宙中孤独地漂泊。它们可以在自己的引力下直接塌缩而成,也可能在太阳系这样的多行星系统内形成:行星之间可以互相碰撞、散射,其中的一些行星被母星无情地逐出了诞育它们的恒星系统,成为流浪行星。
它们独自在冰冷黑暗的宇宙空间中穿梭流浪,并不能如同恒星一样闪闪发光,附近又没有母星可以照亮前路,只能与黑暗为伍,孤独前行。正因如此,它们极难被天文学家捕捉探测。即使有些流浪行星中的“大块头们”努力地利用自身微弱的红外辐射向我们“挥手”,但目前利用红外成像所捕捉到的流浪行星也是屈指可数,且块头(质量)偏大,相比于已经发现的3600多颗围绕母星运行的系外行星,可谓凤毛麟角。
如何有效地探测到这群不被命运眷顾的流浪行星呢?聪明的天文学家想到,也许可以利用流浪行星的引力做文章,即利用流浪行星所产生的微引力透镜效应,发现流浪行星的踪迹。当我们观测遥远的恒星时,如果中间有其它恒星或行星穿过,这些过客(我们称之为透镜天体)的引力作用,会像凸透镜一样将光线汇聚,导致观测的恒星亮度增加,这就是微引力透镜效应。
微引力透镜事件有一个非常重要的时标参数:tE,可以大致描述事件信号的长短,它与透镜天体质量的平方根成正比,即透镜天体的质量越大,其产生的微引力透镜事件时标就越长。一般来说,恒星质量的透镜天体引发的微引力透镜事件的时标一般在一个月左右,木星质量的透镜天体导致的事件时标仅1天左右。而我们赖以生存的地球,质量只有木星的千分之三,所导致的微引力透镜事件的时标更是只有几个小时左右。
天文学家正是通过搜寻那些时标小于2天的微引力透镜事件,来寻找质量介于地球到木星质量之间的流浪行星的候选者。
2011年,MOA(Microlensing Observations in Astrophysics)观测合作组织在《自然》杂志上公布了他们的结论,他们通过分析2005年和2006年的474个微引力透镜事件,从中找到了10个时标小于2天的事件。综合考虑观测的选择效应,他们最终给出了“流浪木星”(质量与木星相当的流浪行星)的数量大约两倍于恒星数量的惊人结果!
这一结果在行星科学界引发了轩然大波。“在微引力透镜领域,只有极少数的人相信MOA的结果,因为这一结果并不符合其它的观测以及理论。”俄亥俄州立大学的天文学家Scott Gaudi教授如此评价。2016年,清华大学本科生马思政与合作者通过行星核心吸积理论所得出的流浪行星引发的微引力透镜事件的发生频率,仅仅是MOA结果的1/13。
而在今年7月24日,来自波兰的OGLE观测组织在《自然》杂志公布了其对2010至2015年间2617个(6倍于MOA的样本)微引力透镜事件的分析,结果表明:流浪行星的数量上限是恒星数量的0.25倍,而最大可能是恒星数目的0.05倍。这一结果与理论预期以及红外的观测结果基本吻合。但MOA的领导者之一David Bennett教授,依然选择坚持自己的结论。
他将MOA与OGLE结果的不同,归咎于样本的收集以及分析方法的差异:两者样本收集的天区不同,而且OGLE将一部分MOA认为是巨行星的事件,归类为褐矮星事件(褐矮星被称为“失败的恒星”,它由于质量不足无法成为燃烧的恒星,质量约为13到80个木星质量)。
引人注目的是,OGLE同时还公布了6个时标短于0.4天的微引力透镜事件,这些事件被认为是由1到10个地球质量的流浪行星引起的。
OGLE文章的第一作者Mroz认为:“由于OGLE对如此短时标事件的探测灵敏度非常低,因此,‘流浪地球’在宇宙中应该相当普遍,可能超过了恒星的数目。”遗憾的是,由于目前的观测限制(OGLE只有一台1.3米望远镜),他们很难估计“流浪地球”数目。而在全球有三台1.6米望远镜的KMTNet,自2015年开始了对微引力透镜事件的全面搜寻,其未来发布的统计结果将有助我们对流浪地球的数量建立更清晰的认识。
在没有恒星源源不断提供能量的情况下,流浪行星还能孕育生命吗?科学家提出了多种可能的情形。比如,热量可以来自于行星自身的地热,或来源于放射性元素的分解,甚至被“逐出”的流浪行星的卫星,还能通过潮汐力给予流浪行星热量。而如果流浪行星有非常厚的大气层,大气层富含氢气,或者表面有一层10千米左右的冰层,那么流浪行星就有可能存在液态水,从而为孕育生命提供可能。