星云说之困惑

□ 晓 泓

星云说之困惑

□ 晓 泓

众所周知，在康德－拉普拉斯学说基础上发展起来的现代星云说，能较好地解释太阳系主要天体的一些共性观测特征，从而被天文界广为接受。但是，随着数以千计的外星行星的发现，星云说深感困惑不已。

太阳系主要天体的运动特征

图1 太阳系行星大致在同一平面上，沿相同的方向，在接近圆形的轨道上绕太阳公转

寻找事物特征的共性规律，进而探究这些规律性之所以出现的原因，是自然科学研究的重要手段，天文学亦不例外，其中之一乃是考察天体的运动。

宇宙中一切事物无不处于运动之中。就太阳系天体来说，主要有两种运动形式——绕自身某个轴的自转，以及绕对应母天体的公转。对行星、小行星和彗星而言母天体是太阳；对于卫星，母天体指的是卫星绕之转动的行星。

不同行星的自转速度相差甚大，转得快的如木星，赤道区域的自转周期不到10小时。因为自转很快，又是气态行星，木星看上去便呈现较为明显的扁球状。自转最慢的是金星，转动一周的时间长达243地球日。小行星及彗星（彗核）尽管质量和尺度都比行星小得多，但它们也有自转，如坦普尔1号彗星，彗核的自转周期约为42小时，这样的速度与地球相比应该算是相当慢的。

在公转特性上，无论行星、彗星或小行星绕太阳的公转，还是卫星绕其母行星的公转，都服从开普勒行星运动三定律，离太阳（或母行星）越远，行星等天体（或卫星）的运动线速度越慢。以行星为例，最接近太阳的水星，公转一周仅需88天；最远的海王星之公转周期长达165年，自发现以来至今才差不多绕太阳转了一整圈。

对于太阳系的一些主要天体，包括行星以及行星周围比较大的规则卫星来说，它们的运动存在着一些显见的规律性：无论是行星绕太阳的公转，还是卫星绕行星的公转，以及行星和卫星的自转，甚至包括太阳的自转，都表现出若干明显的共性特征，即近圆性、共面性和同向性。

行星绕太阳，或者卫星绕母行星的公转轨道都是一些椭圆，但这些椭圆的偏心率大多相当小，或者说绝大部分行星和卫星的公转轨道都接近正圆形，这个特征称为近圆性。行星绕太阳的公转轨道平面，以及卫星绕母行星的公转轨道平面，与地球公转轨道面（黄道面）的交角大多很小，最大（水星）不超过7°，称为共面性。行星和卫星的公转及自转大多有着大致相同的方向，如果从地球北极上方很远处向下看，这个方向是逆时针的，这就是同向性。对于自转来说，同向性又表现为大多数行星和卫星的赤道面与黄道面的交角也不大。这三方面的共性运动特征说明，太阳系主要天体的运动状态就像步调一致的“行星圆舞曲”。

不过，除上述共性特征外也存在少数例外。如，金星的逆向（顺时针方向）自转和天王星的侧向自转明显不符合同向性，它们的赤道面与其公转轨道面的交角分别为177°和98°；天王星卫星绕天王星的公转轨道面与天王星绕太阳的公转轨道面同样交98°角，完全不符合共面性；水星公转轨道偏心率为0.206，与其他行星的轨道相比是较扁的椭圆，近圆性较差。

相比之下，太阳系一些小天体的运动状态可谓五花八门：公转轨道可以是一些非常扁的椭圆，甚至抛物线或者双曲线，与近圆性迥异；公转轨道面可以与黄道面交任意角，完全不符合共面性，而公转和自转的方向也就无同向性可言。

上述太阳系天体之运动特性必取决于太阳系形成时的条件以及嗣后的长期演化，任何成功的太阳系起源和演化理论，应该能对之做出合理的解释。

图2 太阳系形成星云说示意图

现代星云说

1755年，德国哲学家康德在《宇宙发展史概论》一书中提出了他的太阳系起源星云说。也许因为康德不是一位专业天文学家，他的观点当时并未引起人们的重视。1796年，法国数学家拉普拉斯在他的名著《宇宙体系论》中详细阐述了自己的星云说，基于他的学术威望，星云说得以广泛传播，康德的观点和著作也因此被人们重新提起并得以再版。鉴于两人的观念本质上是相同的，后人便称之为康德－拉普拉斯星云说（或拉普拉斯星云说）。在这一学说基础上形成的现代星云说（又称核心吸积理论），因能解释太阳系内大部分观测事实而为天文界所广泛认同，甚至被誉为是说明恒星－行星系统形成机制的标准模型。

现代星云说认为，约50亿年前银河系中有一团几千倍太阳质量的气体尘埃云，它在自身引力作用下逐渐收缩，并因内部的湍流和涡流，使大星云碎裂成许多小星云，其中一块就是太阳系的前身——原始太阳星云，质量不超过现在太阳的1.2倍。原始太阳星云有自转并继续收缩，绝大部分物质在中心区先形成太阳，外区物质渐而变为扁平状，形成一个星云盘。

太阳形成后，因太阳强烈的辐射和太阳风的作用，星云盘中气体被向外推离，结果是盘内区的尘埃含量相对较高，外围部分气体含量较高。星云盘在靠近太阳的内圈较薄，外围部分较厚，物质密度则是内圈较高，离太阳越远密度越低，行星就是在这种状态的星云盘中形成的。生成于盘内区的行星，由于尘埃占比大，所形成的是岩质类地行星。位于盘外区的行星，因为星云盘的气体占比大，最终形成的是气态类木行星，只是在其中心可能有小的固态核。在一些行星的周围，大的规则卫星的形成过程很可能是行星形成过程在局部区域内较小规模上的再现，而那些没能聚集成行星的物质，在演化过程中就形成了小行星、彗星和行星的不规则小卫星。从星云盘到最终形成行星，大约只需要1000万年到几亿年时间。可见，与太阳和太阳系的年龄相比，太阳系成员基本上是在不太长的时间段内相当快地形成的。

行星、规则卫星等太阳系主要天体形成于扁平而又旋转中的星云盘，这就很自然地解释了它们的共性运动特征——近圆性、共面性和同向性。

至于不符合共性特征的少数例外，一种解释是在行星形成后不久，太阳系空间还游弋着大量物质团块——星子，大星子对个别行星的猛力撞击可以使行星运动状态发生剧烈变化，从而不再符合原有的共性特征。如设定金星原有自转方向合乎同向性规律，那么一个约合1/100金星质量的大星子从相反方向与金星发生擦边碰撞，所释放的能量便足以把金星的自转方向颠倒过来，变为目前的逆向、缓慢自转状态。

外星行星的发现

长期以来，人们只知道太阳系这么一个唯一的恒星－行星系统，而星云说对它的观测特征做出了很好的解释，似乎成了行星系统形成的标准理论。然而，自1995年起，情况陡然发生变化，其原因始于发现了太阳系外的行星——外星行星，以至外星行星系统。

地球人也许自觉太过孤单，向往找到外星伙伴，而要找到外星人，必须先找到能使外星人得以诞生、进化和繁衍的栖居地。表面温度高达几千摄氏度（甚至更高）的恒星显然是不行的，但生命存在又离不开来自恒星的光和热。可见，生命只能出现在绕恒星转的行星上，而行星必须是地球那样的岩质行星，不能是木星般的气态行星。

1995年，瑞士科学家在45光年远的恒星飞马51周围发现了绕着类太阳恒星转的第一颗外星行星——飞马51b。分析表明，飞马51b的质量为地球的150倍，约为木星质量之半，显然应归类为气态巨行星。然而，该行星到母恒星的距离只有0.05个天文单位（定义日地平均距离为1天文单位，约等于1.5亿千米），小于水星到太阳的距离（0.47天文单位），公转周期仅为4个地球日，环境温度估计高达2000K，于是被冠名为热类木行星，热类木行星的突现大大出于人们的意料之外。

随着观测技术的进步，发现了越来越多的外星行星，到2013年1月7日已达2740颗，这一数字还在不断增加。有些恒星的周围已发现有2颗、甚至多颗行星，构成行星系统。不过，由于观测技术上的原因，现已找到的行星大多数都是比较容易发现的、质量较大的类木行星，且距母恒星比较近。

美国宇航局在2009年3月7日发射了“开普勒空间望远镜”，专门用于发现外星类地行星。望远镜口径0.95米，计划对超过15万颗恒星用行星凌星法进行普查式探索。2013年5月15日，因设备故障被迫结束行星搜索工作。到2014年4月，“开普勒”及其后续观测已确认962颗外星行星，以及2903个尚需确认的行星候选体。在已发现的外星行星中，质量最小的只及月球质量的2倍，最大的达到木星质量的近30倍。一些行星很靠近其母恒星，公转一周仅需几个小时；另一些则距母恒星非常远，公转周期竟长达几千地球年。有些行星的公转轨道面可以与其母恒星的赤道面交任意角，甚至与母恒星自转反向公转。木星（或更大）质量的行星，可以在距离母恒星0.05天文单位的地方快速公转，环境温度可能超过摄氏1000度，而公转周期仅为几个地球日。行星的公转轨道可以是一个很扁的椭圆，它们时而接近、时而远离母恒星，远、近距离可相差20倍以上。此外，在所发现的外星行星中，有一类半径为地球半径1.25～2倍的所谓“超级地球”，此类岩质行星约占外星行星总数的30%，可见其占比相当高，而太阳系中并无同类行星存在。

五花八门的外星行星之客观存在，其各方面性质与太阳系行星大相径庭，完全不遵循近圆性、共面性和同向性规律，这就对太阳系形成的星云说提出了严峻的挑战。

从另一个角度看，与外星行星系统的多种面貌特征相比，我们自己的太阳系好像反而显得与众不同而成了“异类”，地球人是否应对之深感幸运呢？

星云说何去何从

2014年7月2日，著名科学杂志《Nature》刊文称，鉴于已发现的外星行星系统形态各异，运动学和物理学特征与太阳系行星迥异，现有的恒星－行星系统演化理论或需重写。你不妨设想有一颗大质量的气态行星，在灼热的外部环境中不停地“飞奔”，此情此景星云说对之完全无法做出合理解释。看来，要能说明外星行星系统的多种观测特征，星云说必须做出重大修正，近期提出的“迁移说”便应运而生。

迁移说仍承认气态巨行星最初形成于星云盘外区温度较低的地方，但认为这些年轻巨行星到母恒星的距离并非恒定不变。由于在公转过程中受到盘内气体的阻尼作用，年幼的巨行星会沿着螺旋形轨道向星云盘内区迁移。迁移过程最终因某种尚未确知的机制而停止，巨行星便进入一条在近距离上绕母恒星运转的稳定轨道，成为目前所观测到的热类木行星。

众多外星行星绕母恒星的公转轨道完全不遵循近圆性、共面性和同向性特征，在迁移说中可归因于天体间的引力相互作用。如果系统中同时生成了几颗巨行星，它们在迁移过程中就有可能近距离交会，这时彼此间的引力相互作用会使巨行星公转轨道的形状和方向发生重大改变，可以形成偏心率很大的椭圆轨道，轨道面与母星系统自转赤道面也可以交任意角，甚至反向公转。

至于如何解释超级地球的普遍存在，迁移说认为，距母恒星最近的一些超级地球很可能是迁移过来的巨行星的核。由于它们太过靠近母恒星，在母恒星抛射物质（恒星风）的强烈作用下，巨行星外层气体被剥离，而剩下的裸核便成了现在观测到的岩质超级地球。

图3 “斯必泽”空间红外望远镜拍摄的恒星GQ_ Lupi_A和行星GQ_Lupi_b

有人试图用迁移说作为解释所有恒星－行星系统的统一形成模型，为此需假设在不同的系统中，星云盘物质应该有不同的质量分布，于是在盘的中部和外部会形成各种类型的行星，随后再向内迁移——这多少有点“因神设庙”式的嫌疑。

图4 一颗外星行星及其母恒星（艺术图）。母恒星位于人马座，距地球约2.2万光年，行星到母恒星的平均距离0.055天文单位，公转周期仅为4.2日。

迁移说可以较为合理地解释外星行星系统的一些观测特征，但其最大的问题是迁移过程为何会突然中止？理论上说，这种过程是不会停下来的——行星应该一直“迁移”下去，距母恒星越来越近，直至一头冲入母恒星的怀抱，香消玉殒。切勿小看这么一个问题！有读者兴许知道，19世纪早期德国人奥伯斯曾提出小行星形成的爆炸说，但终究因找不到任何能令人信服的爆炸机制而被抛弃。科学发展史告诉我们，任何科学理论始终处于发展、完善的过程之中。看似完美的学说，因不能通过后续实践的检验而被修正，甚至会被颠覆。流行长达14个世纪的托勒密地心说，最终仍被日心说所取代即是明证，而500年来哥白尼宇宙观的缺陷不断为后人所修正更是佐证了这一点。以宇宙万物之多样性，不同的行星系统难道只能有一种统一的形成和演化机制吗？人们寄希望于取得更多的观测资料和开展更深入的理论研究。至于星云说究竟何去何从，世人将拭目以待。

（责任编辑 张长喜）