科學之謎/宇宙浩瀚無垠 太陽系有多特別?

原行星盤的電腦模擬。

我們的太陽系遵循著一個明確的模式。小的多岩石的行星靠近太陽,大的氣態行星則離得較遠。從宏觀層面來看,這樣的格局似乎有道理。太陽形成之初,新太陽風充沛的能量會將氫和氦這類較輕的物質推向太陽系外層,只留下岩石類材料。似乎大多數類太陽系都會遵循同一模式,但隨著人類探索的太陽系外星系越來越多,我們發現情況並非如此。事實上,我們所在的太陽系似乎是個例外。

根據煎蛋網報導,研究過其他星系之後,我們發現遠離其恆星的氣態行星非常罕見。給行星分類的一種方法就是根據它們從恆星獲得的能量來分。太陽系中的水星和金星這類熱星球,地球和火星這類溫暖星球(可能宜居)與木星及其之外的冷星球。其界線取決於特定星系中特定恆星所產生的能量,它能很好地判定近行星、中距行星和遠行星。

在我們自己的太陽系中,所有的氣態行星都是冷星球。但在其他被證實過的太陽系外行星中,冷行星數量不超過百分之20。最常見的氣態行星是『熱木星』。這些與木星差不多質量的巨大行星距離它們的恆星非常近。公平起見,我們在探索太陽系外行星時,將偏差也考慮在內。但即便如此,熱類木行星(氣體巨行星)也比冷類木行星更常見。

透過電腦模擬,我們可以初步瞭解原因何在。在未成熟的星系中,形成未來恆星系統所有物質的東西都來自原行星盤。原行星盤基本由液態氣體和塵埃組成。由於氣體通常被電離,因此它會與中央星的磁場相互影響。由於灰塵的碰撞和聚集,原行星盤內會形成亂流。在物理上,能用磁流體動力學來形容這種系統。這一方程很難描述,不過有了現代超級電腦,我們能發現一些大致趨勢。

低質量行星(質量比地球小)對原行星盤的總體結構並不會帶來強烈干擾。它們在原行星盤內的相互影響會誘導形成螺旋密度波。內部螺旋波會引導該星球的運動,外部螺旋波處於拖尾邊緣。由於外螺旋的拉力比內部螺旋更大,因此該星球會更靠近恆星。這被稱作I型行星遷移。

高質量行星(質量大於10被地球質量,或者質量僅低於天王星和海王星)不僅會引發密度波,還會給原行星盤造成豁口。這意味著雖然內部拉力仍然存在,但它變小了。因此該星球在形成過程中會逐漸靠近恆星。這被稱作II型遷移。這兩種遷移方式都令行星更靠近恆星,因此熱星球更更常見。

那為何木星在距離太陽這麼遠的地方形成?其實形成的地方距離太陽並不遠。據大航向模型的推測,長久以來,木星曾漫遊向太陽系內部,然後又回到周邊,它曾經一度移動到火星今天所在的位置附近。該行星的運動對太陽系產生了深遠的影響,改變了小行星帶的本質,並使得火星小於其應有的體積。

宇宙浩瀚無垠,宇宙中有3000億顆恆星,也有3000億種存在生命的可能,可能也有類似於地球這樣宜居的地球。但絕大多數行星系都不會像我們的家園太陽系這樣。