獨一無二的太陽系：請叫我宇宙錦鯉

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很多證據表明太陽系是一個非常奇特的所在。太陽系擁有木星和土星兩顆巨行星。相比之下，只有大約10%的類日恆星系統存在一顆巨行星，擁有兩顆巨行星的更是鳳毛麟角。除了巨行星，太陽系還有水星這樣的「小不點」，個頭只比地球的衛星大一點。天文學家表示像太陽系這樣的模式在宇宙中非常罕見，目前還沒有發現第二個。

太陽系全家福

太陽系擁有一系列怪異的特徵，除了木星和土星這樣的氣態巨行星，太陽系還有水星這樣的「迷你」行星。如果太陽系是一個怪異的恆星系統，那典型的恆星系統又該長什麼樣？在望遠鏡的幫助下，蒙特利爾大學的天體物理學家勞倫·維斯和她的研究小組對355個存在多顆行星的恆星系統進行觀測。根據他們的發現，個體恆星系統內的絕大多數行星擁有相似的體積。

維斯說：「去年在加州，一個陽光明媚的下午，我突然意識到可能存在一系列模式，統治太陽系以外的行星系統，但我有一些懷疑。這些模式是否真實存在？是否只是我的一種錯覺？如果真實存在，對於太陽系在宇宙中的位置，這些模式又意味著什麼？在那個陽光明媚的下午，我發現了一種模式：在同一個系統內，行星的體積往往差不多。例如，如果一顆行星的半徑是地球的1.5倍，系統內其它行星的半徑也很可能是地球的1.5倍左右。」

開普勒望遠鏡發現了數千顆系外行星

維斯指出：「但事實並非我和同事預想的那樣。在我們的太陽系，行星的體積存在很大差異。水星的半徑不到地球的一半，木星的半徑是地球的10倍。在開普勒望遠鏡發現的系外行星中，個頭小的只有地球的四分之一，大的則達到地球的20倍左右。儘管體積千差萬別，行星的個頭往往與鄰居不相上下。我的一位同事說它們就像是豆莢中的豌豆。我們的模式最後採用了這個非常形象的比喻。」

1月，維斯領導的一支國際研究小組發現圍繞同一顆恆星運行的系外行星具有相似的體積，軌道間隔也有規律可循。在對開普勒望遠鏡發現的行星系統進行觀測時，凱克天文台發現了這種模式。這意味著絕大多數行星系統的形成歷史都與太陽系不同。維斯說：「如果行星的體積或者間隔帶有隨機性，便不會出現這種模式。」

夏威夷莫納克亞山的凱克天文台

美國宇航局的開普勒望遠鏡於2009年發射升空，迄今為止已發現了數千顆系外行星。這個大樣本不僅允許科學家對個體系統進行研究，同時還能幫助他們得出行星系統的一般性結論。維斯是加州開普勒觀測小組的成員。他們利用夏威夷莫納克亞山的凱克天文台獲取1305顆恆星的高解析度光譜。這些恆星擁有2025顆行星，均由開普勒望遠鏡發現。通過這些光譜，他們對恆星及其行星的體積進行精確測算。

在維斯帶隊進行的分析中，研究小組將目光聚焦355個多行星系統的909顆行星。這些行星與地球的距離大都在1000到4000光年之間。通過統計分析，研究小組發現了兩種意想不到的模式。他們發現在同一個系統，鄰近行星的體積差不多。也就是說，如果一顆行星的個頭很小，環繞同一恆星的鄰近行星也可能是小不點；如果一顆行星的個頭很大，鄰近行星很可能也是大塊頭。此外，環繞同一恆星的行星的軌道間距往往有規律可循。

藝術概念圖系外行星Kepler-36b和Kepler-36c

系外行星的類似體積和軌道間距能夠對大多數行星系統的形成產生影響。在經典的行星形成理論中，行星在新生恆星周圍的原行星盤形成。這些行星排列緊湊，可能擁有相似的體積和有規則的軌道間距，與維斯等人發現的模式類似。

但在我們的太陽系，四顆內側行星的軌道間距很大，體積也是迥然不同。在太陽系內發現的大量證據顯示，木星和土星擾亂了太陽系的早期結構，導致這四顆類地行星的軌道間距很大。在絕大多數行星系統，行星的大小相當並且軌道間距有規則，說明它們形成後幾乎沒受到任何干擾。

類地行星藝術概念圖

為了驗證他們的假設，維斯在凱克天文台進行了一項新研究，在開普勒發現的多行星系統搜尋類木行星。維斯等人研究的行星系統擁有多顆距母星很近的行星。由於開普勒任務的持續時間有限，科學家對這些系統的外側行星的類型知之甚少。對於這些系統，他們希望確定較遠的軌道距離是否存在類木行星。如果存在，是否與內側行星的模式類似。

對於太陽外系統內側行星的相似性，科學家需要找到一個合理的解釋。如果能夠確定行星體積的決定因素，有助於科學家判斷哪些恆星系統更有可能存在宜居類地行星。研究論文刊登在《天文學雜誌》上。

文章轉載自公眾號：漫步宇宙

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