2013年8月1日

系外行星之謎

作者/曾耀寰(任職中研院天文所)

太陽和行星的形成
有關太陽和太陽系的形成,在高中地球科學課本內有提到。太陽是離我們最近的恆星,因此早期有關恆星的形成主要就是研究太陽的形成。太陽形成理論最早可追溯自十八世紀末康德(Immanue Kant)和拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)的星雲假說,康德是德國著名的哲學家,他的巨著《純粹理性批判》為德國古典哲學奠定基礎。拉普拉斯是法國的數學家和天文學家,拉普拉斯變換和拉普拉斯方程是他的傑作。他們都想以星雲自身萬有引力的塌縮,解釋太陽系的形成。大致的過程是從旋轉的星雲開始,由於一邊自轉、一邊塌縮,而成扁平狀的圓盤,中心區域經雲氣的吸積而形成太陽,周圍盤面(稱為原行星盤)則有行星產生。

不論是康德或拉普拉斯的恆星形成理論,都太簡略,隨著天文觀測資料的持續累積,天文學家開始對恆星形成,甚至行星形成有了深入的瞭解。1970年代,理論天文學家開始研究類太陽恆星的塌縮和形成細節。徐遐生院士在1977年提出等溫氣體球的「自我相似性塌縮」,發現氣體球開始塌縮的時候,是從內部開始,從中心塌縮的區域由內而外擴散開來。後續的電波觀測和研究,使得類太陽恆星的形成理論逐漸成形。而行星的形成則是從原行星盤面上的星塵(0.1微米大小)開始,經過不斷碰撞沾黏而長大成「公里等級」的微行星,這過程可以想像成元宵節的湯圓製作。接著,微行星透過相互萬有引力吸引而碰撞合併成行星,離恆星較遠的行星,在形成核心之後,由於周圍環境溫度較低,殘餘的原行星盤有較多的氣體存在,可以藉由引力吸住周圍的氣體,逐漸形成類似木星的大型氣體行星。

系外行星的觀測
1980年代,天文學家普遍認為上述理論是正確的,卻由於系外行星的發現而受到挑戰。1995年天文學家首次發現繞著主序星(飛馬座51)的系外行星(離母星飛馬座51約0.05天文單位,估計最小質量約0.047木星質量),隨著觀測技術的進步,不斷有新的系外行星被找到,至今確認已有723顆〔註〕。

發現系外行星的數量不斷增加,新的證據考驗著原有的行星形成理論,最令人不安的是:類木行星的位置離母恆星太近。圖一可以清楚看到左上角位置,質量M(嚴格說是Msin(i))在0.1~10木星質量的行星距離母星很近(半主軸小於0.1天文單位)。行星形成理論原先認為質量較大的行星應該在離恆星較遠的位置形成(例如木星距離太陽約5 天文單位),但這個說法無法解釋目前的觀測。

除了從誕生地的角度,我們也可以從動力學的方向入手,也就是說系外行星仍然是在距離母星較遠的位置形成,只不過因為某種機制,使得行星遷移到內圈,靠近母星。若考量母星的質量遠大於行星和原行星盤,行星的軌道速度應該遵循克氏公轉定律(速度與距離的平方根成反比),該處的角動量比內圈大(角動量與距離的平方根成正比),為了維持角動量守恆,行星想要遷移到內圈的話,必須要有角動量的改變才能完成。【更詳細的內容,請參閱第524期科學月刊】

註:參考http://exoplanets.org/ 的2013/7/2資料。

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