禁戒的行星——认识曾被认为不可能的外星世界
太阳系外行星HR8799b是一颗超级木星，绕其宿主恒星公转一周需要460年。
■谢懿 编译
近年来天文学上的一些重大发现和突破，令现有的标准理论受到了最激进的挑战。正在不断膨胀的行星数目也意味着，任何一个新的模型都是暂时的，自然界远比我们人类智慧，我们无法想象的事情是有可能发生的。
惊人的发现
“这是一个大淘金的时代，”德国马普天文研究所的天体物理学家托马斯？亨宁说，“每一天你都会发现新的东西。”
美国宇航局开普勒探测器的发射加速了太阳系外行星搜寻的进程，它所发现的2500颗行星使得对其进行统计分析成为了可能，然而情况却变得越加令人困惑。“开普勒”发现银河系中最普遍的行星类型，是一类大小介于地球和海王星之间的行星———被称为“超级地球”。太阳系中不存在这样的行星，它们曾被认为是几乎不可能形成的。
现在，地面望远镜已经能直接探测到来自太阳系外行星的光，而不是像“开普勒”那样地做间接探测，但异常的情况依然不断。天文学们发现，质量数倍于木星的巨行星，可以在2倍于海王星到太阳的距离上绕其宿主恒星公转———这是另一个理论家们认为不可能形成巨行星的区域。其他的行星系统则看起来一点也不像我们有序的太阳系，挑战着用来解释太阳系的经典理论。
令天文学既高兴又困惑的不仅仅是这些“超级地球”，还有从太阳系外涌现出来的“热类木星”。天文学家发现第一颗太阳系外行星是在20年前，这颗行星被称为飞马51b，它的质量为木星的一半，但它为期仅4天的公转周期，使得它极端靠近其宿主恒星。研究行星形成的理论家们找不出一条途径来解释，在距离新生恒星这么近密的地方能形成一颗质量这么大的行星。它也许只是另类的个案，但很快在对太阳系外行星的搜索中涌现出了更多的“热类木星”，而另类程度则有增无减：它们有着大椭圆和高倾角的轨道，有些甚至以“逆向”绕恒星公转———与恒星的自转方向相反。
还有更惊人的发现———围绕太阳系外的恒星HR8799系统的行星中，有4颗行星的轨道从超过土星到太阳的距离到超过2倍于海王星到太阳的距离不等。最令人惊讶的是，所有这4颗行星都是巨行星，总质量是木星的5倍以上。根据现有理论，在如此远的轨道行星运动速度太慢，在盘消散之前它们的生长速度极慢，质量应该远小于木星。
行星半径(木星半径厂
在热类木星率先被发现之后，开普勒空间望远镜随后发现，同样占据近密轨道的超级地球，是最普遍的太阳系外行星类型。地面望远镜现已能对类似8799b这样的远距离巨行星进行直接成像。
探寻真实全貌
“很明显，实际情况与我们的预期相去甚远，”美国斯坦福大学的物理学家布鲁斯？麦金托什说。遥远的巨行星支持了对标准理论的最激进挑战。
“开普勒”的惊人发现，即60%的类太阳恒星拥有一颗超级地球，需要一个全新的理论。
“开普勒”还有另一个发现：超蓬松行星。有一些为数不多的行星，它们的质量小于超级地球，但外表看上去却十分巨大，其鼓胀的大气占据了它们总质量的20%。这些特异的行星，挑战着现有的标准理论。天文学家需要更多更精确的观测，来揭开自然的真实全貌。
通过把世界上最大的望远镜推向极限，天文学家们已经直接观测到了少量的行星。在过去几年中，有两台专门为此设计的仪器也加入到了直接成像太阳系外行星的行列中。欧洲的分光偏振高对比度太阳系外行星研究 (SPHERE) 和美国的双子行星成像仪 (GPI) 已经连接到了位于智利的大型望远镜上，它们会使用先进的星冕仪来遮挡恒星的光。于是，很自然地，远离宿主恒星的行星是它们最容易探测的目标。
虽然现在谈论GPI和SPHERE会在太阳系外行星系统的外侧给我们带来哪些惊喜还为时过早，但天文学家不必等太久，就将得到更好的数据。2017年，美国宇航局将发射一颗太阳系外行星巡天卫星(TESS)，而2018年欧洲空间局则有望发射描绘太阳系外行星的卫星(CHEOPS)。
不同于开普勒，通过监视大量恒星来对太阳系外行星进行搜寻，TESS和CHEOPS将聚焦距离地球较近的明亮类太阳恒星，使天文学家能够探测行星系统中位于中间的未知地带。另外，由于目标恒星都是近距恒星，地面望远镜应该能够测定其行星的质量，使天文学家能够计算出行星的密度，由此可以知道它是岩质的还是气态的。
计划于2018年发射的詹姆斯？韦伯空间望远镜则会走得更远，它会分析穿过太阳系外行星大气层的星光，进而测定该行星大气的成分。“对于形成过程来说，成分是一条重要的线索，”麦金托什说。例如，在超级地球的大气层中发现较重的元素会表明，需要富含这种原色的盘才能以足够快的速度形成行星核心。
未来10年，和下一代口径30米级的地面望远镜一起，美国宇航局的大视场红外巡天望远镜与欧洲空间局的行星凌星和振荡探测器也将加入这一行列。
如果说过去是从容地根据观测来修改模型，那么未来理论家们就必须要紧跟新发现的脚步。拉菲科夫说：“自然可比我们的理论更加聪明。”