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为什么宇宙中有那么多“无家可归”的星球?它们的结局如何?_如意平台

2020-06-16 新闻来源:双子塔首页 围观:31
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“无家可归“的行星数目远超我们想象。就是什么让它们“流离失所”,感受不到“家”的温暖?

图源: David A. Aguilar (CfA).

我们普遍会将行星等同于围绕母星运行的气态巨行星或者岩态行星。就恒星来说,银河系中有数千亿颗。每一颗恒星都有着自己怪异而多样的身世和历史。有些恒星伟大而明亮,有的则细微而幽暗。谈到它们的历史,有的在几百万年前才形成,而有的和宇宙自己一样年迈。在这之中,它们有一个普遍的特点:恒星系统。正如开普勒探测义务和其他太阳系外行星研究解释的那样:若是你想找到行星,你只需要很轻松的选择一颗恒星,然后考察它的周围:你就可以发现不只一颗行星而是整个星系。

图源: Axel M. Quetz (MPIA).

但是在此之外,除了这些恒星和围绕它们运行的天体,在银河系中另有大量没有中央恒星的行星:它们是宇宙中的落难行星。我们以为,从小的星团到星际空间再到巨型星系中央,落难行星无处不在。据我们所知,这些在宇宙中漫无目的落难行星的数目至少可以比肩我们已经确定的行星,而且它们可能会更多。这就意味着,虽然你能看到宇宙中来自各个地方的光,但宇宙中照样存在着大量观察不到的星体,由于它们自身并没有发出可见光的能力。

图源: Southwest Research Institute.

凭据考察,我们已经考察到了大量潜在的落难行星“候选者”。“候选者”是一个很主要的词语,由于我们并没有正确的探测手艺来确定它们是否是真正的落难行星。只管使用了最先进的探测装备,但确定它们照样一件难事(即使如此,也只能通过他们发出的微弱红外热信号才气发现)。以是我们确信,它们的数目比我们已经观察到的要大得多。另外,在难以发现这个事实之外,我们照样找到了许多潜在的工具。若是你对此好奇,你便会情不自禁地去想,这些落难星球到底来自那里!

关于这些行星的泉源,这里有个能令人信服的回覆。

图源: NASA / JPL-Caltech.

我们都对类似太阳系的形成有所领会:当引力坍缩缔造了一个可举行核聚变的区域,最终在这区域中会形成一个被真相星盘笼罩的中央恒星。真相星盘中会泛起引力扰动,从它的周围吸引越来越多的物质。同时,新形成的中央恒星会会逐渐放出热量,将大部分最轻的气体吹向星际介质。随着时间的推移,这些由引力扰动吸引来的物质会群集成为小行星、岩态行星,而且最终汇聚成最大的气态巨行星。

现实上,这些形成的行星并不仅仅围绕中央恒星运行,它们之间还被各自的引力约束。一段时间后,这些行星会到达所能到达的最稳固的状态,这通常意味着体积最大、质量最大的行星会以牺牲其他更小、更轻的行星为价值。那么,对于这些在“星球永远居住权”争斗中的失败者来说,了局若何呢?它们要么通过合并被吸收,快速投入恒星的怀抱。要么,它们最有可能被踢出所在的恒星系统,从而进入星际空间。

这一项模拟研究解释,在每一个像我们太阳系一样富裕的星系的形成历程中,至少会有一个气态巨行星被踢出去,进入介质中。从而,它就注定成为一个落难行星,在宇宙中漫无目的地落难。此外,在每个恒星系中被踢出的更小的岩态行星数目可能高达5-10个。这也似乎就是落难行星的主要泉源,它们可能以亿计的数目存在于在我们的银河系中。

但很有趣的是:当我们对数目做出最具有理论意义的推算时,这些被年轻的恒星系所踢出的行星的数目比我们现实推测的一半还要少。那么其余到底都来自那里呢?为了弄清楚绝大多数落难行星来自那里,我们必须同时以一个更大的角度来看这个问题:它们不仅来自于我们太阳系形成历程,而且来自于在同一时间的所有恒星(和恒星系统)的形成历程。

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

星团产生于严寒气体的缓慢坍缩。这些气体大多由氢气组成而且通常充斥于先前存在的宇宙。随着云团坍缩的深入,泛起了引力非稳固性,同时,最早期的、最重的不稳固物质优先最先吸引越来越多的物质。当足够多的物质群集在极其狭窄的空间,而且这些云团焦点的温度处于足够高的状态时,核聚变随即发生,恒星也随之形成。

这个效果并不只是形成了一个新的恒星和恒星系统,而是产生了许许多多的恒星和恒星系统。由于在每一个云团的塌陷形成一个新的恒星的历程中,还剩下足够多的物质能形成更多的恒星。但与此同时,这些星球会遭受厄运。形成的最大的恒星通常是最热、最蓝的星球,会发出最强的电离辐射和紫外辐射。这样会引起宇宙间最为紧迫的生计竞赛。

图源: NASA, ESA, E. Sabbi (STScI), 哈勃望远镜拍摄到的狼蛛星云

当你仔细考察宇宙中形成恒星的星云内部,现实上能看到两种同时相互竞争的历程。

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1、引力。引力试图把物质拉向这些年轻的、不停增进的引力密度区域。

2、辐射。与此同时,发出的辐射会燃烧区域中的中性气体并将它们吹回星际介质。

到底谁会赢呢?

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

这现实取决于你对于“赢“的界说。最大的引力异常密度区域会形成最大、最热、最蓝的恒星,它们也是所有恒星中最罕有的。比它们小(但照样伟大)的引力密度区域会形成其他的恒星,但这样的区域会随着质量的不停降低而变得通俗。这就是为什么当我们深入考察一个年轻的星团时,通常最容易看到的是最亮(大多数是蓝色的,另有一些其他颜色的)的恒星但它们在数目上是远小于那些质量更小的、黄色的(尤其具有红色特征的)、幽暗的恒星。

图源: NASA & ESA, Acknowledgement: Judy... [+] 由哈勃望远镜拍摄的球状星团Terzan I.

事实是,若是没有那些最年轻的恒星们发出辐射,这些幽暗、红色的或者黄色的恒星本能够变得更重、更亮而且会燃烧得更热。恒星们(在主序列中,也就是大多数恒星)被分成了差别的种类。O型恒星是最热、最大、最蓝的,而M型恒星则是最冷、最小、最红、质量最小的那一类。只管对于绝大多数的恒星来说,约莫有四分之三是M级别的恒星,这和仅占有小于1%质量比例的O型或者B型恒星拉开了差距。但所有M型恒星的质量总和与O型及B型加起来的质量对等。约莫250颗M级别的恒星质量之和才气比得上一颗O型恒星的质量!

图源: Wikimedia Commons user LucasVB.

事实证明,在形成恒星的星云当中,有90%的气体和灰尘最终被吹回到了星际介质,而不是用来形成新的恒星。质量最大的恒星形成速率最快,然后就最先将这些能够形成恒星的物质吹出星云。从那最先的之后几百年,周围的物质越来越少,基本无法形成新的恒星。最终,所有剩下的气体和灰尘会被燃烧殆尽。

很好,猜猜还能想到什么?上面所指的M级恒星,并不单单指那些拥有太阳8%到40%质量的,宇宙中最普遍的恒星,而是还包罗许多,若是没有被伟大质量的恒星消耗分外物质的话,本能够成为M级恒星的星球。

图源: NASA, the Hubble Heritage Team and Nolan R.... [+] 气体在船底座星云燃烧.

换句话说,在每一个恒星形成的历程中,另有许许多多未能到达质量标准的失败星球。在随便一颗现实意义上的恒星形成时,它们的数目可以从十到成百上千不等。

试想一下这样的事实,我们的太阳系曾包含着成百甚至上千个,相符地球物理学界说的天体。但从天文学的角度,它们由于轨道位置而被清扫在外。现在想想,对于每一颗像我们太阳这样的恒星,还存在着成百上千,仅仅由于没有到达足够的质量从而不能在焦点实现核聚变的失败的星球。这些就成为了无家可归的行星们,或者说是落难行星。它们的数目远超太阳系的行星,以及在轨的所有行星。这些从一出生就没有母星的星球有着一个最令人感伤的宇宙学名称:孤儿星球。它们可能有大气层,也可能没有,而且它们也许是最难被探测到的那一类。尤其(理论上)是这么多普遍的:体积最小的一类。但若是你从数学的角度来说,与任何一个像地球一样在宇宙中围绕恒星运行的行星相较,现在可能有数目到达十万的行星并没有特定的轨道,而且最有可能从来没有过。它们实在太难被找到了。

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

以是,我们可能考察到一些被年轻的类太阳星系拒绝的落难行星,甚至在宇宙中有许多就来自于我们的太阳系。不外在宇宙中存在着大量的行星甚至没有一颗恒星可以依赖。落难行星在宇宙中无尽地周游,它们中的大多数只能注定永远处于寥寂的状态,甚至从来都没有感受到母星的温度。它们潜在的母星,很有可能被恒星进化历程所阻碍,由于它们自身在进化历程中曾有可能会成为恒星。我们所处的宇宙可能存在着千万亿这样的天下、天体,而我们的探索之路才刚刚最先。星际空间可能缺乏能发光的天体,但有一点能确定的是,宇宙中还存在着大量的未知天下等待着我们旅途中去发现。

作者: Ethan Siegel Senior Contributor

FY: Illidan

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