寻找宇宙中的“流浪地球”

作者: 杨弘靖,毛淑德

来源: 赛先生

发布日期: 2019-07-03 18:02:27

本文探讨了宇宙中是否存在不围绕任何恒星运动的流浪行星,分析了这些行星的形成和演化过程,以及科学家如何通过红外成像和微引力透镜等技术手段寻找这些难以发现的行星。同时,文章还讨论了流浪行星是否可能维持生命存在的可能性,并提出了对未来观测技术的期待。

在真实的宇宙中,存在流浪于星际空间中、不围绕任何恒星运动的行星吗?它们是被外星人“驾驶”出母星的吗?

今年年初,科幻电影《流浪地球》上映,为我们描绘出一幅全人类在灾难下齐心协力将地球“驾驶”出太阳系的宏大景象。最终,地球逃离了太阳的引力束缚,漂浮在无尽的宇宙中。那么,在真实的宇宙中,存在这样流浪于星际空间中、不围绕任何恒星运动的行星吗?答案是肯定的,当然,这些行星并非是被外星人“驾驶”出母星,而是行星形成、演化等过程中的自然产物。它们的故事要从很久很久以前,行星乃至恒星的诞生之日说起。

当一片星云内部在自身引力作用下分裂坍缩时,恒星从中诞生了。但这片星云中并非所有原料都成为了恒星的一部分,其中剩余的许多气体和尘埃环绕着初生的恒星,形成了我们称为“原行星盘”的结构。原行星盘上并非一片太平——尘埃之间不停地碰撞、破碎又粘合,渐渐形成了一些直径大约几公里的“石块”,也称为“星子”。随后,星子与星子之间在引力的作用下,继续碰撞、合并,成长为直径上百公里的原行星。

原行星继续生长,一些较大的原行星的引力足以束缚住大量气体,于是吸积其轨道上的气体成为气态巨行星,并在原行星盘上留下一道气体稀薄的“刻痕”;而剩下的原行星成长为直径上千千米的行星,但继续保持岩质的形态。

此时的恒星系已经初步成型,但还未达到稳定的结构。由于气态巨行星强大的引力,一些行星在运动中被其它行星吞并,还有一些最终被抛出整个恒星系。这就好比让一个杯子装上满满当当的水,倒水的时候难保不洒出一些。这一猛烈过程被称为行星-行星散射,它使得恒星系的结构趋于稳定,而被抛出的行星就成为了在星际空间中独自旅行的流浪行星。

流浪行星也并非只能通过行星-行星散射产生,实际上在整个行星或者恒星的生命史中,有许多情况都可能导致一颗行星被其所在的恒星系“放逐”。

按照时间顺序,一颗行星诞生后被抛出恒星系的原因可能有:(1) 原行星盘受到引力扰动,抛出小碎片;(2) 未达到稳定的多行星系统中的行星-行星散射;(3) 行星系统受到另一颗距离很近的恒星的引力扰动,导致系统变得不稳定;(4) 恒星演化末期或超新星爆发时抛出大量物质,主星损失大量质量,无法继续用引力束缚住行星,从爆发中幸存下来的行星就会开启流浪之旅。

综上所述,一些理论预言星际空间中的流浪行星有很多,具体每个恒星系抛出的行星数量与主星的质量相关。这些流浪行星自身的质量从火星(0.1个地球质量)到数十个木星质量(>103个地球质量)间均有分布。尽管数目众多,这些“流浪行星”却难以被发现——一方面它们发出的光很微弱,另一方面它们的质量相比于恒星很小,因此与其它天体的相互作用也非常微弱。如今有许多天文学家正致力于在茫茫宇宙之中寻找这些“灰色人口”。

前面提到,流浪行星由于本身的暗弱难以被发现,但天文学家还是通过不同手段发现了少量流浪行星。主要的手段有两种,红外成像和微引力透镜。红外成像的方法是利用流浪行星自身发出的红外光进行探测,而微引力透镜则是利用引力透镜效应,通过监测恒星亮度的变化来间接探测流浪行星。这两种方法各有优劣,红外成像适用于较大的气态巨行星,而微引力透镜则可以探测到更小质量的行星。

这些被“放逐”的流浪行星在失去了母星的供养后,还能繁衍生命吗?如果有一天我们真的开启“流浪”模式,生命又该如何维持?生命的存在需要能量——无论是维持水以液态形式存在还是维持足够浓厚的大气,因此我们首先需要了解流浪行星有哪些能量来源。在茫茫的宇宙中,确实存在着不围绕任何恒星公转的“流浪行星”,它们是行星形成与演化过程中的自然产物。

理论预言银河系中流浪行星的数目应该与恒星数目相当,但受限于观测技术,人们至今只发现了极少量这样的行星。

在红外成像和微引力透镜两种观测手段中,前者操作较为简单,但只能探测到较大的气态巨行星;后者的探测范围可以深入到质量最小的行星。随着新的观测设备与项目不断投入运行,未来我们有望极大地增加流浪行星的样本数量,甚至能够确定“流浪地球”、“流浪海王星”与“流浪木星”的数量比例。

当然,也可能我们穷尽所有方法与手段,依然找不到那么多流浪行星。到那个时候,只能说明现有的理论可能出错了。但不论最终结果如何,我们对行星的形成与演化的了解都会随之大大增进。

不过,如果宇宙中真有那么多流浪行星,有多少存在生命呢?会不会有那么几颗真的是由外星人驾驶的呢?非凡的假说需要非凡的证据,但无边无际的宇宙中每时每刻都在发生的事情,也许是人类倾尽最天马行空的想象力也不能及的。人类在宇宙面前虽然渺小如尘,但依然穷尽一代又一代人的努力去理解它,这才是宇宙中最非凡的事情。

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