银河系中有1万亿个孤独、寒冷、黑暗的流浪星球

友心人

2018-01-11

关注关注

David A. Aguilar

在我们的印象中，行星多半是有主的。虽然它们本身形态各异，有像木星那样的气体巨人，还有和地球相近的岩石行星，但它们总应该围绕着至少一颗恒星运行。

银河系拥有以千亿计的恒星，它们中的每一颗都是独一无二的，它们都有着自己身世。它们有的体格巨大而明亮，有的身形矮小而昏暗；有的血气方刚，有的老态龙钟。但有一件事几乎都是相同的——它们大多拥有自己的行星系统。

Axel M. Quetz

但是除此之外，除了这些围绕着恒星运行的天体之外，我们的银河系中，我们的宇宙中还存在着大量的无主行星——流浪行星。

穷尽当前人类掌握的所有科学知识，我们所能指出的是，在宇宙中流浪的无主行星数量，可能比宇宙中的恒星还要多。这意味着当我们仰望星空，除了那一个个的光点，还有许多大质量天体在虚空中穿行，但我们看不到它们，因为它们本身不会发光。

SwRI

近年来，科学家通过观测，发现了大量可能存在的流浪行星候选者。请注意“候选者”这个词，这非常重要。因为我们无法确定它们是不是真的行星，因为我们没有好的办法来进行验证。即便用我们当前所有的最好设备，对这些天体进行检测也是十分困难的。（它们产生的仅有特征是非常昏暗的红外线。）但可以预计，太空中存在着大量此类天体。因为即便很难被发现，人们还是找到了许多可能性非常高的潜在目标。

那么这些流浪星球究竟是从哪里来的呢？

NASA / JPL-加州理工学院

我们对自己的太阳系诞生过程有大致的了解。它是引力坍缩的产物。星云物质在引力的作用下收缩，凝聚核的质量超过极限后，就会触发核聚变，形成我们的太阳。随后在太阳的周围，物质会聚集起来，形成一个缓慢自转的原行星盘。盘面中会产生引力的扰动，进而把越来越多的物质吸引到特定的空间位置上并越像滚雪球一样越来越大。与此同时，新生的太阳也会逐渐把较轻的气体吹入星际空间。长久以后，这些引力扰动点便会长成小行星、岩石行星和气体巨行星。

但这些天体不仅会围绕着中央恒星运行，它们之间也会互相影响。它们的轨道会发生调整和迁徙，慢慢地趋向于一种稳定的布局。一般来说，最大的行星在迁徙到最稳定的布局上时，会牺牲掉那些较小的行星。

那这些在行星太空竞赛中失利的家伙命运如何？它们有可能会在行星的合并中被消耗掉，有可能会一头栽进太阳，也有可能被踢出太阳系，进入茫茫的星际空间。而最后一种可能性是最大的。

近年来通过计算机模拟，科学家发现每一个拥有多个行星的行星系统在形成过程中，至少会踢出一个气体巨行星。这样的行星就只能在银河系中孤独地流浪。而每个太阳系踢出的较小岩石行星数量可能高达5至10个。几乎可以断定，这就是流浪行星的主要来源。银河系中可能存在着大约几千亿个这样的行星。

但有一件事非常有意思。科学家通过计算发现，被年轻太阳系踢出来的行星数量，可能还不到所有流浪天体预期数量的一半。那这另外一大半是从哪里来的？

要回答这个问题，我们就要从更大的尺度上来考察。我们不但要研究太阳系的形成方式，更要研究与此同时发生的恒星星团形成方式。

ESO / R. Chini

星团也是在较冷的气体云中缓慢坍缩形成的。这些气体云的成份大多是氢。在这些云团内部会出现引力的不稳定，这样的不稳定出现得越早，不稳定的程度越大，引力中心便能够吸引到越多的物质。一旦有足够多的物质聚集在特定的空间里，云团中心的密度和温度就会超过极限，引发核聚变，点燃恒星。

这一过程会在星云中产生大量的恒星和行星系统。但与此同时，最大的、温度最高的、最蓝的恒星能够辐射出强大的紫外线，这些紫外线能够将星云物质电离，使其趋于消散。于是，又一场竞赛在宇宙中开始了。

蜘蛛星云。NASA / ESA / E. Sabbi

宇宙中的星云内，引力会竭尽全力把物质吸引过来，形成年轻的、不断生长的引力过密区；而与此同时，辐射会竭尽全力地把这些中性气体驱离，把它们吹散在星际空间。谁会胜出呢？

为哈勃25周年庆而拍摄的“创世之柱”。NASA / ESA / 哈勃太空望远镜

星云中最大的引力过密区会形成最大、最热和最蓝的星，但这类恒星也是最罕见的。较小的过密区会形成其它恒星，但这类恒星随着质量的越来越小，会变得越来越普通。这就是为什么在年轻的星团内，虽然最显眼的是那些最亮的星,（它们大多是蓝色的，但也有一些演化到了晚期变成了其它颜色。)但它们在数量上远不如那些质量较小的黄色（或红色）昏暗恒星。

球状星团Terzan 1。NASA / ESA / Judy Schmidt

事实上，如果没有来自这些年轻恒星的辐射，那些昏暗的红黄色恒星会继续生长，直至变成巨大、明亮而炽热的巨星。

主序星有多种类型，最大、最热、最蓝的是O级星；最小、最冷、最红的是M级星。M级恒星的数量最多——大约每4颗恒星中就有3颗M级恒星；O级或B级恒星的数量最少，大约只有1%的恒星是这类恒星。但O级星和B级星的质量总和，与M级星的质量总和几乎是相当的。250颗普通M级恒星的质量总和，才能抵得过一颗O级星！

维基共享资源

事实上，星云中90%的气体和尘埃会被吹散，而形成不了恒星。质量最大的恒星形成速度最快，它们一旦出现，便会立即开始驱离产星区内的物质。这个时间尺度大约只有几百万年，在这段时间内，周边空间内的物质会越来越少，从而使得新的恒星再也无法从中产生。直至剩下的气体和尘埃被完全驱离。

结果呢？不仅仅是产生了大量的M级——这些质量在太阳质量8%至40%间的常见恒星，更有许多来不及成为M级恒星的天体，因为星云物质的快速消散而被遗留下来。

船底座星云内，处于消散过程中的气体。NASA / 哈勃太空望远镜 / Nolan R. Walborn / Rodolfo H. Barba / Adeline Caulet

也就是说，与每一颗恒星的诞生相对应的，是许多失败的恒星。这些天体的质量不够大，成不了恒星。每一颗恒星的成功，都伴随着几十甚至几十万颗恒星的失败。真是一将功成万骨枯啊！（这类天体也被称为“褐矮星”，可分为L型和T型。L型的特征更像M级恒星，T型更像气体巨行星。）

想像一下，我们的太阳系曾经有许多天体，可以满足物理学上的行星定义，但因为它们轨道的原因，被排除了出去。再想像一下，每一颗与我们太阳类似恒星的诞生，都伴随着几百颗质量未达到核聚变标准的恒星的失败。这些天体，都是无家可归的流浪星球。

这些生而无主的天体还有一个令人黯然神伤的名字——“孤儿行星（虽然它们不都是真正意义上的行星）”。它们可能有大气，也可能没有，但它们都极难观测，尤其是那些特别小的（理论上存在）。但是通过数学，我们可以算出，银河系中每一颗围绕着恒星运行的行星，都对应着至少10万个流浪星球，它们可能曾经是有主的，也可能从来也没有围绕过任何一颗恒星运行。而且它们都极难发现。