為什麼宇宙裡的星球都是漂浮著（為什麼宇宙中有那麼多）

2023-06-02 09:32:08 1

「無家可歸「的行星數量遠超我們想像。就是什麼讓它們「顛沛流離」，感受不到「家」的溫暖？

圖源: David A. Aguilar (CfA).

我們普遍會將行星等同於環繞母星運行的氣態巨行星或者巖態行星。就恆星來說，銀河系中有數千億顆。每一顆恆星都有著自己獨特而多樣的出身和歷史。有些恆星巨大而明亮，有的則渺小而昏暗。談到它們的歷史，有的在幾百萬年前才形成，而有的和宇宙本身一樣年老。在這之中，它們有一個普遍的特點：恆星系統。正如克卜勒探測任務和其他太陽系外行星研究表明的那樣：如果你想找到行星，你只需要很輕鬆的選擇一顆恆星，然後觀察它的四周：你就可以發現不只一顆行星而是整個星系。

圖源: Axel M. Quetz (MPIA).

但是在此之外，除了這些恆星和圍繞它們運行的天體，在銀河系中還有大量沒有中央恆星的行星：它們是宇宙中的流浪行星。我們認為，從小的星團到星際空間再到巨型星系中心，流浪行星無處不在。據我們所知，這些在宇宙中漫無目的流浪行星的數量至少可以比肩我們已經確定的行星，而且它們可能會更多。這就意味著，雖然你能看到宇宙中來自各個地方的光，但宇宙中還是存在著大量觀測不到的星體，因為它們自身並沒有發出可見光的能力。

圖源: Southwest Research Institute.

根據觀察，我們已經觀察到了大量潛在的流浪行星「候選者」。「候選者」是一個很重要的詞語，因為我們並沒有精確的探測技術來確定它們是否是真正的流浪行星。儘管使用了最先進的探測設備，但確定它們還是一件難事（即使如此，也只能通過他們發出的微弱紅外熱信號才能發現）。所以我們確信，它們的數量比我們已經觀測到的要大得多。另外，在難以發現這個事實之外，我們還是找到了很多潛在的對象。如果你對此好奇，你便會情不自禁地去想，這些流浪星球到底來自哪裡!

關於這些行星的來源，這裡有個能令人信服的回答。

圖源: NASA / JPL-Caltech.

我們都對類似太陽系的形成有所了解：當引力坍縮創造了一個可進行核聚變的區域，最終在這區域中會形成一個被原形星盤包圍的中央恆星。原形星盤中會出現引力擾動，從它的周圍吸引越來越多的物質。同時，新形成的中央恆星會會漸漸放出熱量，將大部分最輕的氣體吹向星際介質。隨著時間的推移，這些由引力擾動吸引來的物質會聚集成為小行星、巖態行星，並且最終匯聚成最大的氣態巨行星。

實際上，這些形成的行星並不僅僅環繞中心恆星運行，它們之間還被各自的引力束縛。一段時間後，這些行星會達到所能達到的最穩定的狀態，這通常意味著體積最大、質量最大的行星會以犧牲其他更小、更輕的行星為代價。那麼，對於這些在「星球永久居住權」爭鬥中的失敗者來說，結局如何呢？它們要麼通過合併被吸收，快速投入恆星的懷抱。要麼，它們最有可能被踢出所在的恆星系統，從而進入星際空間。

這一項模擬研究表明，在每一個像我們太陽系一樣富饒的星系的形成過程中，至少會有一個氣態巨行星被踢出去，進入介質中。從而，它就註定成為一個流浪行星，在宇宙中漫無目的地流浪。此外，在每個恆星系中被踢出的更小的巖態行星數量可能高達5-10個。這也似乎就是流浪行星的主要來源，它們可能以億計的數量存在於在我們的銀河系中。

但很有趣的是：當我們對數量做出最具有理論意義的推算時，這些被年輕的恆星系所踢出的行星的數量比我們實際推測的一半還要少。那麼其餘到底都來自哪裡呢？為了弄清楚絕大多數流浪行星來自哪裡，我們必須同時以一個更大的角度來看這個問題：它們不僅來自於我們太陽系形成過程，而且來自於在同一時間的所有恆星（和恆星系統）的形成過程。

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

星團產生於寒冷氣體的緩慢坍縮。這些氣體大多由氫氣組成並且通常充斥於先前存在的宇宙。隨著雲團坍縮的深入，出現了引力非穩定性，同時，最早期的、最重的不穩定物質優先開始吸引越來越多的物質。當足夠多的物質聚集在極其狹小的空間，並且這些雲團核心的溫度處於足夠高的狀態時，核聚變隨即發生，恆星也隨之形成。

這個結果並不只是形成了一個新的恆星和恆星系統，而是產生了許許多多的恆星和恆星系統。因為在每一個雲團的塌陷形成一個新的恆星的過程中，還剩下足夠多的物質能形成更多的恆星。但與此同時，這些星球會遭受厄運。形成的最大的恆星通常是最熱、最藍的星球，會發出最強的電離輻射和紫外輻射。這樣會引起宇宙間最為緊迫的生存競賽。

圖源: NASA, ESA, E. Sabbi (STScI), 哈勃望遠鏡拍攝到的狼蛛星雲

當你細緻觀察宇宙中形成恆星的星雲內部，實際上能看到兩種同時相互競爭的過程。

1、引力。引力試圖把物質拉向這些年輕的、不斷增長的引力密度區域。

2、輻射。與此同時，發出的輻射會燃燒區域中的中性氣體並將它們吹回星際介質。

到底誰會贏呢？

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

這實際取決於你對於「贏「的定義。最大的引力異常密度區域會形成最大、最熱、最藍的恆星，它們也是所有恆星中最罕見的。比它們小（但還是巨大）的引力密度區域會形成其他的恆星，但這樣的區域會隨著質量的不斷降低而變得普通。這就是為什麼當我們深入觀察一個年輕的星團時，通常最容易看到的是最亮（大多數是藍色的，還有一些其他顏色的）的恆星但它們在數量上是遠小於那些質量更小的、黃色的（尤其具有紅色特徵的）、昏暗的恆星。

圖源: NASA & ESA, Acknowledgement: Judy... [ ] 由哈勃望遠鏡拍攝的球狀星團Terzan I.

事實是，如果沒有那些最年輕的恆星們發出輻射，這些昏暗、紅色的或者黃色的恆星本能夠變得更重、更亮並且會燃燒得更熱。恆星們（在主序列中，也就是大多數恆星）被分成了不同的種類。O型恆星是最熱、最大、最藍的，而M型恆星則是最冷、最小、最紅、質量最小的那一類。儘管對於絕大多數的恆星來說，大約有四分之三是M級別的恆星，這和僅佔有小於1%質量比例的O型或者B型恆星拉開了差距。但所有M型恆星的質量總和與O型及B型加起來的質量對等。大約250顆M級別的恆星質量之和才能比得上一顆O型恆星的質量！

圖源: Wikimedia Commons user LucasVB.

事實證明，在形成恆星的星雲當中，有90%的氣體和塵埃最終被吹回到了星際介質，而不是用來形成新的恆星。質量最大的恆星形成速度最快，然後就開始將這些能夠形成恆星的物質吹出星雲。從那開始的之後幾百年，周圍的物質越來越少，根本無法形成新的恆星。最終，所有剩下的氣體和塵埃會被燃燒殆盡。

很好，猜猜還能想到什麼?上面所指的M級恆星，並不單單指那些擁有太陽8%到40%質量的，宇宙中最普遍的恆星，而是還包括很多，如果沒有被巨大質量的恆星消耗額外物質的話，本能夠成為M級恆星的星球。

圖源: NASA, the Hubble Heritage Team and Nolan R.... [ ] 氣體在船底座星雲燃燒.

換句話說，在每一個恆星形成的過程中，還有許許多多未能達到質量標準的失敗星球。在任意一顆實際意義上的恆星形成時，它們的數量可以從十到成百上千不等。

試想一下這樣的事實，我們的太陽系曾包含著成百甚至上千個，符合地球物理學定義的天體。但從天文學的角度，它們由於軌道位置而被排除在外。現在想想，對於每一顆像我們太陽這樣的恆星，還存在著成百上千，僅僅因為沒有達到足夠的質量從而不能在核心實現核聚變的失敗的星球。這些就成為了無家可歸的行星們，或者說是流浪行星。它們的數量遠超太陽系的行星，以及在軌的所有行星。這些從一出生就沒有母星的星球有著一個最令人感傷的宇宙學名稱：孤兒星球。它們可能有大氣層，也可能沒有，並且它們也許是最難被探測到的那一類。尤其（理論上）是這麼多普遍的：體積最小的一類。但如果你從數學的角度來說，與任何一個像地球一樣在宇宙中環繞恆星運行的行星相較，現在可能有數量達到十萬的行星並沒有特定的軌道，並且最有可能從來沒有過。它們實在太難被找到了。

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

所以，我們可能觀察到一些被年輕的類太陽星系拒絕的流浪行星，甚至在宇宙中有很多就來自於我們的太陽系。不過在宇宙中存在著大量的行星甚至沒有一顆恆星可以依靠。流浪行星在宇宙中無盡地漫遊，它們中的大多數只能註定永遠處於寂寞的狀態，甚至從來都沒有感受到母星的溫度。它們潛在的母星，很有可能被恆星進化過程所阻礙，因為它們自身在進化過程中曾有可能會成為恆星。我們所處的宇宙可能存在著千萬億這樣的世界、天體，而我們的探索之路才剛剛開始。星際空間可能缺乏能發光的天體，但有一點能確定的是，宇宙中還存在著大量的未知世界等待著我們旅途中去發現。

作者: Ethan Siegel Senior Contributor

FY: Illidan

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