除太阳系之外,银河系中是否还有与太阳系类似的行星系统存在?如果有,究竟有多少?这一直是天文学家乃至生物学家都非常关注、热烈追求,但又一直未解决的问题.
科学家重视这课题的一个很重要的原因,在于它关系到地外文明的存在.
我们知道,在银河系中数量最多的是恒星,天文学家估计有好几千亿颗.
但是假如仅仅存在恒星的话,那么无论恒星的数量多么大,都不能保证文明的存在,甚至不能保证有生命.这是因为恒星表面的温度过高,不要说生命,就是物质分子也无法存在,只能在原子、离子、中子等简单的物质状态出现.
恒星提供了必要的能量,但生命必须在复杂的有机物能够存在的温度下才能形成,这些有机物是生命的化学基础.
这就是说,在恒星附近必须存在行星,行星从恒星得到能量,保持温度.
可以设想,这样一颗行星上或许会存在生命.
星云假说太阳系是我们确切而详尽地了解的唯一实例.除太阳系以外,我们无法详细观测任何恒星的邻近区域,以直接探明是否存在绕其旋转的行星.这样,我们只能从我们的太阳系入手,如果可以确定太阳系是怎样形成的,那么或许也能对形成其他行星系统的可能性得出结论.
第一个富有吸引力的太阳系演化理论是拉普拉斯的星云假说,这是1796年由法国数学力学家拉普拉斯提出的.该学说认为太阳系由一个转动着的热气星云形成.由于冷却,星云收缩,自转变快,离心力变大,形状变扁.在星云收缩中,每当离心力与引力相等时,就有部分物质留下,演化成一个绕中心转动的环,以后又陆续形成好几个环.这样,星云的中心部分凝聚成太阳,各个环则凝聚成各个行星.较大的行星在凝聚的过程中,同样能分出一
些气体物质环来形成卫星.
如果太阳是这样形成的,那么假设其他恒星也以同样的方式形成,就应该是合乎情理的.在这种情况下,每颗恒星都将有一个行星系统.问题是这种理论是否经得起严格的检验.
拉普拉斯星云假说最严重的障碍是所谓角动量困难.角动量是孤立物体或物体系统的转动趋势的度量,它等于角速度和物体转动惯量(在物理学上把物体的质量和它到转轴的距离平方的乘积,叫做这个物体的转动惯量)的乘积.按照角动量守恒定律,距离减小时,旋转的速度必定相应增加,反之亦然.
按照拉普拉斯的理论,星云在离心力作用下变成一个扁平盘状物,中心的太阳的转速应该很快才行.而实际上现在太阳的转速并不快,其赤道上一点大约每27天才转一周.
为什么太阳系形成时太阳转动很快,而现在转慢了呢?这不是违背了角动量守恒定律吗?
在太阳系中,质量占99.9％以上的太阳,其角动量只占约1％,而质量不到0.2％的行星等其他天体的角动量总和,却约占99％.这就是太阳角动量的特殊分布问题.
灾变假说为了说明太阳系角动量的这种反常分布,天文学家一度抛弃了行星形成的渐变理论,转向灾变说.
根据这种理论,旋转着的原始星云只是缓缓地凝聚成太阳,而不形成行星.但是,后来太阳在运动中遇到了一场灾难,因此形成了行星,并将角动量传递给它们.
最早的灾变说的观念是法国博物学家布丰于1745年提出的,他认为曾经有一颗大彗星撞击太阳,从太阳撞出的物质形成行星.实际上,彗星的质量比起太阳来微乎其微,根本不可能撞出那么多的物质来形成行星.
1878年,英国天文学家毕克顿把这种学说修改了一下,认为是另一颗恒星碰到太阳而撞出物质.以后美国数学家张伯伦、英国天文学家金斯等人,分别于1900年到1916年提出类似的学说,认为是另一个恒星接近太阳时的起潮力,把一部分太阳物质吸出而形成行星.
仔细分析灾变理论就出现了困难,从太阳拉出来的物质流能够伸到那么远的地方形成行星吗?其他恒星的引力影响能够把足够的角动量传递给行星吗?本世纪20年代,英国天文学家爱丁顿推算出太阳核心的温度高达几百万度(现在采用的数值更高).由太阳内部抛出的物质如此灼热,根本不可能凝聚为行星,只会膨胀为稀薄气体,消失殆尽.
星云说占了上风山穷水尽之际,德国天文学家魏茨泽克重新提出一种星云假说,并尽可能运用自拉普拉斯以来一个半世纪里发展的知识对它作出详细说明.这种假说认为:太阳形成后被一团气体尘埃云包围着,云团转动而变为扁盘,盘中出现湍流,形成旋涡的规则排列,旋涡与旋涡之间还有次级旋涡,而行星正是由次级旋涡形成的.
以后,天文学家(如美国的柯伊伯)和化学家(如美国的尤里)改进了魏茨泽克的想法,提出了更能令人满意的解释行星形成的办法,但角动量的问题还是没解决.
瑞典天文学家阿尔文在这方面作了大量的研究工作,他详尽地描述了太阳在其早期抛射物质,以及这些物质如何在太阳电磁场作用下获得角动量的方式.正是电磁场将太阳的角动量传递给太阳之外的物质,并使行星能够如此远离太阳,并拥有它们如今所具有的角动量.
现代天体物理学的发展有力地支持了星云说,使它成为当代太阳系演化学说的主流.这对地外智慧生物存在与否是至关重要的.
如果星云说是正确的,那么行星就是恒星演化的正常结果,行星系统大体上应该和恒星一样多.在这种情况下,地外智慧生物存在的可能性也许就很大.
相反,如果灾变说是正确的,那么行星的形成就成为一种偶然发生的事情,它有赖于宇宙中的某种浩劫,有赖于两颗恒星的邂逅相遇,而这种机会亿载难逢,这就意味着银河系中的行星系统为数很少,而在这很少几个行星系统中,存在文明的机会势必也就异乎寻常地小.
现在,星云说占了上风,这就是说大多数天文学家都认为银河系中存在行星系统是很普遍的.
由恒星的自转所作的估算如果行星系统普遍存在于银河系,那么它们究竟有多少呢?
行星太小,又不会发光,用今天的天文观测技术,还无法直接观测到它们.因此,我们还必须从考察我们的太阳入手.
太阳是一颗确凿无疑拥有行星系统的恒星,它的最显著特点是自转异常缓慢,以致于太阳系全部角动量的90％左右都寄寓于它的那些无足轻重的行星之中.把这种情况外推,如果一颗恒星有行星系统,我们就可以设想它的自转较慢,反之,我们就可以设想它的自转速度较快.
怎样才能测定恒星自转的速度呢?尽管恒星在望远镜中只是一个光点,但还是可以推论出很多知识.星光是由各种不同波长的光混合而成的,这可按照波长的顺序展开,从波长很短的紫光到波长很长的红光,展开的结果就是"光谱".
恒星的光谱往往彼此相差很大.天文学家经过种种尝试,最后确定将恒星谱分为O、B、A、F、G、F和M几种类型,每一类型又分为十个次型,如B0、B1…B9等等.O型代表已知质量最大、最炽热、最亮的恒星,M型代表质量最小、最冷、最暗的恒星.太阳光谱属于G2型.
1931年,美国天文学家发现,恒星的质量越大,自转快的可能性也越大.
光谱型为O、B、A的恒星以及较大的F型星(从F0到F2),很可能都是自转较快的恒星.而F2到F9,以及G、K和M型的恒星,很可能都是慢速旋转的.
因此,有一半的光谱型属快速自转恒星,而另一半则为慢速自转.但这并不表明恒星的数目也是等分的.因为,小恒星的数目比大恒星多,G型或更小的恒星比F型或更大的恒星多得多.事实上,全部恒星只有7％的光谱型属于从O型到F2型.
换句话说,自转快的恒星不超过7％,而整整93％的恒星都是慢速自转的.这样看来,至少有93％的恒星存在具有行星系统的可能性,这是美国科学家阿西莫夫的结论.
美国另一位天文学家、研究地外文明的权威卡尔.萨根教授的估计,要比阿西莫夫保守些,他认为银河系中至少有1／3的恒星拥有行星系统.
从恒星的晃动寻行星天文学家还发现一些恒星在太空中的移动轨迹不是一条直线,而是波状的曲线.也就是说,恒星在晃动.这究竟是怎么回事呢?
我们知道两个天体相互吸引时,其引力乃是双向的.严格地说,两个天体都不绕着对方转动,而是绕着公共重心转动.如果一个天体质量很大,另一个天体质量很小,对于大质量的天体来说,公共重心离其自身的中心很近,也许就在其本体之内,在这种情况下大天体表现出来的是一种晃动.这就是说,恒星的晃动是恒星受到一些看不见的天体的引力影响.
运用天体力学的理论,可以算出这些对主星产生影响、人们看不见的天体的质量、大小和运动轨道.据此,剔除那些可能是恒星的伴星,也许就能找到我们所要找的行星系统.
离我们只有5.9光年的巴纳德星就有周期性的运动变化.有的天文学家据此分析,认为它至少有两个行星,质量分别相当于木星的0.8倍和0.4倍左右.如果这是确凿的话,那么巴纳德星周围就有着不折不扣的行星系.
目前,对此还有不同的看法.
到目前为止,在离太阳最近的20来颗恒星当中,至少有一半左右,天文学家怀疑它们周围存在一颗或几颗行星那样的天体.如果这个比例是普通规律,那么银河系中应有一半的恒星拥有行星系统.
真的找到其他行星系统了吗尽管行星表面的温度很低,但是,毫无疑问,它也会不停地向四周辐射出红外线.如果能探测到某颗天体所辐射的红外线,再加上其他条件,即使不能用眼睛直接"看"到它,也可以确认它的存在.
1983年,美国、英国和荷兰三国研制和发射的"红外天文卫星",给我们带来这方面的信息.根据它发回的资料,天文学家在织女星周围发现了由固体物质组成的尘埃云,尘埃云的温度很低,而且体积大致相当于太阳系中一颗普通行星,因此它不可能是恒星,而只能是颗行星.当然,这也可能是颗正在形成中的行星,是个行星"胎儿".
另一个可能也有行星"胎儿"的恒星是绘架座β星.1984年4月,美国喷气推进实验室的理查德.J.代利尔和亚利桑那大学的布拉德弗德.A.史密斯,使用智利境内的拉斯坎纳斯天文台的2.5米杜邦望远镜,发现在绘架座β星的周围不仅存在星云,而且成圆盘状,直径约为1000亿公里.经研究认为,这是该星周围接近完成的行星系.
还有一颗比这些"胎儿"更具体些的行星,那就是被称为"VB8B"的星.
研究结果表明,它很像是颗行星,有可能成为我们长期寻找的太阳系之外的第一颗行星.本书已有专文介绍.
从以上探讨可以知道,要解决银河系中有多少行星系统的问题,有赖于太阳系演化理论的不断完善和观测手段的不断进步.有人估计到了21世纪,这两方面都会有突破性进展,届时对这个长期以来人们争论较多的问题,将会出现更加令人信服的证据.
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