系外行星科學：天文新時代
- 物理專文
- 撰文者：林明楷
- 發文日期：2020-02-08
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我們並不孤單。筆者撰寫本文時，天文學家已發現4151顆在太陽系以外的『系外行星』。這是一個驚人的數字：首顆系外行星在1992年才被發現 (一顆環繞脈衝星的行星)，而第一個圍繞類似太陽恆星的系外行星則是1995年發現的。即使在2011年，當筆者正在完成博士論文時，系外行星數量也才約為600顆。在不到十年的時間裡，系外行星數量增加了7倍。而2019年台灣也透過國際天文協會命名了一顆系外行星『水沙連』。觀測技術不斷的進步，使得系外行星科學日新月異。它的快速發展使得我們幾乎每天都會發現新的星球、從未想過的新世界。人類對生命起源以及尋找『地球 2.0』的好奇心促使了系外行星科學迅速成為最令人興奮的天文領域之一。 帶來諾貝爾獎的行星
天文學家米歇爾馬約爾 (Michel Mayor，圖一右) 和迪迪埃奎洛茲 (Didier Queloz，圖一左) 在1995年10月6號發現了繞著51佩加西星 (51 Pegasi) 運行的行星。它雖然不是第一顆系外行星，卻是人類發現的第一顆環繞於類似太陽恆星的系外行星。這可以說是將外星生命這本是科幻的議題正式帶入科學時代。兩位天文家也因為這項重大發現而獲得了2019年諾貝爾物理學獎。這顆代表性的行星簡稱 51 Peg b，質量約為我們木星的一半 (木星約有300個地球質量)，但51 Peg b的『一年』只有地球的四天！相比之下，我們的木星環繞太陽一次需約12年。這代表 51 Peg b 相當接近其恆星：它比水星離太陽更靠近它的恆星。因此這類型的近距離巨型行星現在被統稱為『熱木星』。圖二簡單的比較了51 Pegasi系統與我們的太陽和木星。
二十年後的今天，51 Peg b仍是天文學的一個道難題。如此巨大的行星能在距離恆星如此近的地方形成嗎？還是該行星是從其他地方遷移到目前位置？若這樣，是什麼原因導致它遷移？它又是如何『停車』的？然而 51 Peg b只是個開始。現在有了數千個系外行星系統，其中許多系統結構與太陽系大不相同，也為行星形成帶來更多的疑問與挑戰。
除了熱木星外，我們還發現了少數的『冷木星』。這些大型行星與其恆星相距甚遠。該類型著名系統之一是圍繞 HR8799 恆星四顆行星，每顆具有數個木星質量。它們環繞其恆星的距離約為 14 到 68 個天文單位*。相比之下，我們最遙遠的行星 — 海王星 — 距離太陽約30個天文單位，而海王星質量僅是木星的百分之五。為什麼我們沒有距離更遠，質量更大的行星？
許多過去被視為科幻電影的場景，像是《星際大戰》中擁有兩個太陽的 Tatooine 行星，如今已成為事實，而且我們發現了不止一個系統。例如Kepler 1647b 是一顆質量約為 1.5 個木星的『雙星行星』：它環繞著一組雙星。或許更著名的系統是超越《星際大戰》的 Kepler 47：三顆行星圍繞一組雙星。這三顆行星的質量約為 8 到 23 個地球質量，此量級的行星現在通常被稱為『超級地球』或『迷你海王星』。這是目前發現最多數的系外行星類型。
大自然的奧妙似乎早已超越了我們最豐富的想像。例如HD 131399 Ab是一顆質量有四個木星的巨型行星，它繞著一顆約有兩個太陽質量的恆星運行。但是這一整個恆星行星系統則有一組雙星環繞著他們。這意味著HD 131399 Ab擁有三個太陽！我們還發現擁有傾斜或非圓形軌道上的行星、緊密的多行星系統、甚至是自由漂流 (沒有主恆星) 的行星。看來似乎沒有什麼系統是不可能的。相較之下我們的太陽系顯得有些無聊：所有行星都位於同一平面上，並且所有軌道幾乎為圓形。 當我們還不了解自己太陽系怎麼形成，我們要如何解釋千變萬化的系外行星系統 (圖三) 呢？ 
找尋系外行星
天文學家開發了先進的方法來偵測環繞其他恆星的行星。目前常用技術包括『徑向速度』和『凌日』法，但還有其他幾種，例如直接影像和重力微透鏡效應等等。
帶來諾貝爾獎的行星 51 Peg b 就是用『徑向速度』發現的 (圖四)。它的原理基於當行星繞恆星運轉時，它對恆星的擾動會造成恆星與地球之間的距離些許變化。這會影響到我們接收到恆星星光的波長：當恆星遠離我們時，波長會被『紅移』而拉長；當恆星趨近我們時，波長則會被『藍移』而壓縮。這就是所謂的都卜勒效應。 我們可以由波長的紅藍移計算恆星的移動速度，進而推斷環繞行星的存在。我們也可由這種方法估計行星的質量，但不能估計其大小。
系外行星的大小可以通過『凌日』測量 (圖五)：當行星經過恆星前方時，我們所觀測到的恆星亮度會稍減，而亮度下降的程度可用於估算行星的半徑。這原理類似月亮擋住太陽光所造成的日蝕。其實我們所以發現上千顆的系外行星其中有一大部分是因為Kepler太空望遠鏡以凌日法偵測到的。而接任的 Transiting Exoplanet Survey Satellite 衛星也同樣會以凌日法探測更多恆星周圍的行星。
徑向速度和凌日都是間接偵測系外行星的方法。但有時我們也可能直接偵測系外行星本身的光波來進行『拍照』。這就是HR8799行星系統被發現的方式。但現在的技術僅適用於遠離恆星且大型的行星。否則，行星的光波會被恆星掩埋。目前為止，我們只發現了少數這類的遠距離系外行星。這表示它們可能難以形成，或者它們很難停留在遠距離的位置。
行星形成理論
我們觀測到了數千顆、各式各樣的系外行星，這意味著行星形成似乎是個容易的過程。實際上，這些新發現不斷挑戰著我們對行星形成和演化的理解。
那麼行星到底如何在原形星盤中形成的呢？
目前主流理論是透過『核心增長』 (圖七)。這是一種自下而上的方法：行星是由數公里大的『微行星』所組成的，而微行星本身是由更小的塵埃顆粒集結。原形星盤中的固體粒子一開始是微米級的塵埃。當它們碰撞時，表面力使它們粘在一起，就像家裡的灰塵一樣。這能使塵埃長到毫米至厘米大小，因為更大的粒子在互相碰撞時會反彈或破碎。這是微行星形成的主要障礙：如果粒子只能長到厘米大小，我們要如何形成數公里大的微行星，進而建造行星？其實還有其他障礙：例如塵埃與氣體之間的摩擦通常會導致塵埃從原形星盤中流失，以及星盤中的氣體亂流攪動會增加塵埃粒子的相對速度，使塵埃顆粒更加難以相互粘附。
要克服上述困難的一個想法是利用一群塵埃粒子的集體自引力。若密度夠高，塵埃粒子群會在其自身重量下坍塌而直接形成微行星。但是在新形成的原形星盤中，塵埃與氣體之間密度差有1:100，此情況下自塵埃的自我重力作用太小了。因此，首先需要提升該比率才能讓塵埃群體塌陷。天文學家研究了幾種機制，其中包括塵埃沈澱於聚集星盤中間以及塵埃與氣體互動帶來的不穩定性。在這裏有個著名的現象是『流動不穩定性』(streaming instability)，它可以有效的將塵埃顆粒集中導致重力坍塌。其實，流動不穩定性已經成為理論學中行星形成的主流機制。
微行星形成之後它們便可以通過相互引力吸引而繼續生長，以形成行星核。 如果質量足夠，行星核心可以進一步捕獲大氣層而晉升為氣體巨行星 (例如木星)。否則，它們會形成岩石類行星，例如佔了系外行星一大部分的超級地球。其實微行星透過相互引力增長至行星的過程也有一些挑戰，例如隨著距恆星距離的增加，此過程的效率會降低。為了解決這個問題，近年來天文學家研發了一套新理論：讓一顆微行星吸積較小、約為釐米至公尺大小的『卵石』。由於此類型粒子受到星盤中氣體阻力影響，導致它們較容易被微行星捕獲。現在理論家正積極研究這種『卵石吸積』機制。
一個截然不同的理論是『自上而下』。在這個理論中，原形星盤是直接因自引力而分裂成氣態團塊，而這些團塊再演化成行星。目前認知是這種『星盤不穩定性』的機制可能僅在年輕、高質量的原形星盤外部起作用。這或許能解釋遠距離冷木星的形成，例如 HR8799 行星系統。不過目前我們並不清楚星盤分裂後團塊的確切命運。研究顯示各種結果，包括快速遷移到星盤內部、或演化為岩石行星、或甚至從整個系統中彈出。我們需要更多研究來探索星盤不穩定的後果。無論如何，此機制可能無法解釋所有觀察到的系外行星。
觀看行星形成
其實自18世紀就有了行星形成於圍繞恆星周圍盤狀物的說法。但是直到最近幾年，我們才開始看到這項假設的證據。特別是有台灣參與的阿塔卡馬大型毫米/次毫米陣列 (ALMA) 計畫徹底改變了行星形成領域。ALMA讓天文學家對原形星盤進行了前所未有的細節觀測。圖六展示了近年來最驚人的發現：是這些原形星盤包含各種子結構，例如環形、間隙、懸臂、以及大尺度非對稱結構。
天文學家在最亮、最大的原形星盤中經常發現塵埃環、塵埃溝。雖然解釋眾說紛紜，但最主流、亦為最振奮的說法是這些原形星盤隱藏了行星，而行星與星盤的互動造就了所觀測到的結構。其實星盤與行星相互作用的理論研究可以追溯到將近40年。現代電腦模擬清楚顯示，行星能透過重力與星盤相互作用，從而導致它在星盤中開溝或『挖洞』。塵埃顆粒則會在間隙邊緣積聚，形成塵埃環。換言之， 原形星盤中觀測到的塵埃環溝結構可能代表了星盤中隱藏了行星，而且可能剛形成或是形成中。甚至最近天文學家已經開始由原形星盤氣體結構分析來推斷行星的存在。
但是，根據塵埃環溝所估算出的行星質量通常太小，無法通過常規的方法偵測 (見上文)。但有一個值得注意的例外，那就是PDS 70成恆星周圍具有個空洞的原形星盤。天文學家在亦在空洞內發現了兩顆大型行星，它們極可能正在雕塑星盤而造成空洞產生 (圖八)。這也許是行星形成於並與其星盤相互作用的第一個直接證據。
系外行星科學是一個新穎且令人類興奮的天文領域。雖然這個領域從90年代才開始興起，但在此後，整個領域經歷了爆炸性的增長。嘆為觀止的新觀測持續帶給天文學家無窮驚喜，並挑戰了我們對行星形成的理解，其中包括我們的地球和太陽系。在本文中，筆者僅介紹了行星科學裡一些基本概念，但這只是冰山一角。此處未涵蓋的主題包括系外行星天氣、微行星盤、行星遷移、系外行星盤、系外衛星等等重要研究領域。行星形成是一個需要運用多種物理的問題，它涉及了流體動力學、塵埃動力、天體力學、化學、輻射、磁場等等領域，而且其尺度範圍從微米級的塵埃到整個行星系統都有。其複雜性也表示幾乎任何具有物理科學背景的專家都可以做出貢獻。作者特別鼓勵年輕學生尋找機會學習這個急速發展、備受矚目的天文領域。
*註：1天文單位=150,000,000公里
作者：林明楷 博士 中央研究院天文所
天文學家米歇爾馬約爾 (Michel Mayor，圖一右) 和迪迪埃奎洛茲 (Didier Queloz，圖一左) 在1995年10月6號發現了繞著51佩加西星 (51 Pegasi) 運行的行星。它雖然不是第一顆系外行星，卻是人類發現的第一顆環繞於類似太陽恆星的系外行星。這可以說是將外星生命這本是科幻的議題正式帶入科學時代。兩位天文家也因為這項重大發現而獲得了2019年諾貝爾物理學獎。這顆代表性的行星簡稱 51 Peg b，質量約為我們木星的一半 (木星約有300個地球質量)，但51 Peg b的『一年』只有地球的四天！相比之下，我們的木星環繞太陽一次需約12年。這代表 51 Peg b 相當接近其恆星：它比水星離太陽更靠近它的恆星。因此這類型的近距離巨型行星現在被統稱為『熱木星』。圖二簡單的比較了51 Pegasi系統與我們的太陽和木星。
圖一：2019諾貝爾獎物理獎得主Michel Mayor (右) 以及Didier Queloz (左)。圖自：L. Weinstein/Ciel et Espace Photos。
圖二：系外行星系統 51 Pegasi 與太陽和木星之比較。圖片改編自NASA。
二十年後的今天，51 Peg b仍是天文學的一個道難題。如此巨大的行星能在距離恆星如此近的地方形成嗎？還是該行星是從其他地方遷移到目前位置？若這樣，是什麼原因導致它遷移？它又是如何『停車』的？然而 51 Peg b只是個開始。現在有了數千個系外行星系統，其中許多系統結構與太陽系大不相同，也為行星形成帶來更多的疑問與挑戰。
除了熱木星外，我們還發現了少數的『冷木星』。這些大型行星與其恆星相距甚遠。該類型著名系統之一是圍繞 HR8799 恆星四顆行星，每顆具有數個木星質量。它們環繞其恆星的距離約為 14 到 68 個天文單位*。相比之下，我們最遙遠的行星 — 海王星 — 距離太陽約30個天文單位，而海王星質量僅是木星的百分之五。為什麼我們沒有距離更遠，質量更大的行星？
許多過去被視為科幻電影的場景，像是《星際大戰》中擁有兩個太陽的 Tatooine 行星，如今已成為事實，而且我們發現了不止一個系統。例如Kepler 1647b 是一顆質量約為 1.5 個木星的『雙星行星』：它環繞著一組雙星。或許更著名的系統是超越《星際大戰》的 Kepler 47：三顆行星圍繞一組雙星。這三顆行星的質量約為 8 到 23 個地球質量，此量級的行星現在通常被稱為『超級地球』或『迷你海王星』。這是目前發現最多數的系外行星類型。
大自然的奧妙似乎早已超越了我們最豐富的想像。例如HD 131399 Ab是一顆質量有四個木星的巨型行星，它繞著一顆約有兩個太陽質量的恆星運行。但是這一整個恆星行星系統則有一組雙星環繞著他們。這意味著HD 131399 Ab擁有三個太陽！我們還發現擁有傾斜或非圓形軌道上的行星、緊密的多行星系統、甚至是自由漂流 (沒有主恆星) 的行星。看來似乎沒有什麼系統是不可能的。相較之下我們的太陽系顯得有些無聊：所有行星都位於同一平面上，並且所有軌道幾乎為圓形。 當我們還不了解自己太陽系怎麼形成，我們要如何解釋千變萬化的系外行星系統 (圖三) 呢？
圖三：截至2019年底所有確認的系外行星系統。橫軸：行星環繞其恆星的週期 (天數)。縱軸：行星質量 (木星單位)。顏色：行星大小 (木星半徑)。我們發現系外行星相當多樣化，有的行星接近恆星，有的甚遠，而質量從超級地球到超級木星都有。圖表取自exoplanets.org。
找尋系外行星
天文學家開發了先進的方法來偵測環繞其他恆星的行星。目前常用技術包括『徑向速度』和『凌日』法，但還有其他幾種，例如直接影像和重力微透鏡效應等等。
帶來諾貝爾獎的行星 51 Peg b 就是用『徑向速度』發現的 (圖四)。它的原理基於當行星繞恆星運轉時，它對恆星的擾動會造成恆星與地球之間的距離些許變化。這會影響到我們接收到恆星星光的波長：當恆星遠離我們時，波長會被『紅移』而拉長；當恆星趨近我們時，波長則會被『藍移』而壓縮。這就是所謂的都卜勒效應。 我們可以由波長的紅藍移計算恆星的移動速度，進而推斷環繞行星的存在。我們也可由這種方法估計行星的質量，但不能估計其大小。
圖四：『徑向速度』法偵測系外行星測。恆星去離地球速度會因行星改變，因而影響我們所觀測到的波長。圖片改編自ESO。
系外行星的大小可以通過『凌日』測量 (圖五)：當行星經過恆星前方時，我們所觀測到的恆星亮度會稍減，而亮度下降的程度可用於估算行星的半徑。這原理類似月亮擋住太陽光所造成的日蝕。其實我們所以發現上千顆的系外行星其中有一大部分是因為Kepler太空望遠鏡以凌日法偵測到的。而接任的 Transiting Exoplanet Survey Satellite 衛星也同樣會以凌日法探測更多恆星周圍的行星。
圖五：『凌日』法偵測系外行星。行星經過恆星前方會阻擋一小部分星光，因此可由觀測恆星星光明亮度可推測行星存在。圖自：NASA Ames。
徑向速度和凌日都是間接偵測系外行星的方法。但有時我們也可能直接偵測系外行星本身的光波來進行『拍照』。這就是HR8799行星系統被發現的方式。但現在的技術僅適用於遠離恆星且大型的行星。否則，行星的光波會被恆星掩埋。目前為止，我們只發現了少數這類的遠距離系外行星。這表示它們可能難以形成，或者它們很難停留在遠距離的位置。
行星形成理論
我們觀測到了數千顆、各式各樣的系外行星，這意味著行星形成似乎是個容易的過程。實際上，這些新發現不斷挑戰著我們對行星形成和演化的理解。
“我們能統籌一個理論來解釋千變萬化的系外行星系統嗎？”
雖然行星形成的理論細節備受挑戰，天文學家還是有個共識：行星是在環繞於年輕恆星周圍的『原行星盤』(protoplanetary disk) 中所形成，而原形星盤是恆星形成的自然副產品 (圖六)。其實原形星盤只是『吸積盤』(accretion disk) 的一種。天文物理中有許多盤狀系統，該尺度從一整個星系到行星星環都有。因此，了解吸積盤物理是當今天文學中重要的問題。圖六：以ALMA望遠鏡所觀測到的原形星盤。我們發現許多星盤擁有許多細微結構，這可能反印出星盤隱藏了新誕生的行星。圖自Andrews et al. (2018, ApJ, 869, 41)。
那麼行星到底如何在原形星盤中形成的呢？
目前主流理論是透過『核心增長』 (圖七)。這是一種自下而上的方法：行星是由數公里大的『微行星』所組成的，而微行星本身是由更小的塵埃顆粒集結。原形星盤中的固體粒子一開始是微米級的塵埃。當它們碰撞時，表面力使它們粘在一起，就像家裡的灰塵一樣。這能使塵埃長到毫米至厘米大小，因為更大的粒子在互相碰撞時會反彈或破碎。這是微行星形成的主要障礙：如果粒子只能長到厘米大小，我們要如何形成數公里大的微行星，進而建造行星？其實還有其他障礙：例如塵埃與氣體之間的摩擦通常會導致塵埃從原形星盤中流失，以及星盤中的氣體亂流攪動會增加塵埃粒子的相對速度，使塵埃顆粒更加難以相互粘附。
圖七：『核心增長』行星形成概論：原形星盤中的小塵埃先聚集成微行星，再由微行星集結成行星。
要克服上述困難的一個想法是利用一群塵埃粒子的集體自引力。若密度夠高，塵埃粒子群會在其自身重量下坍塌而直接形成微行星。但是在新形成的原形星盤中，塵埃與氣體之間密度差有1:100，此情況下自塵埃的自我重力作用太小了。因此，首先需要提升該比率才能讓塵埃群體塌陷。天文學家研究了幾種機制，其中包括塵埃沈澱於聚集星盤中間以及塵埃與氣體互動帶來的不穩定性。在這裏有個著名的現象是『流動不穩定性』(streaming instability)，它可以有效的將塵埃顆粒集中導致重力坍塌。其實，流動不穩定性已經成為理論學中行星形成的主流機制。
微行星形成之後它們便可以通過相互引力吸引而繼續生長，以形成行星核。 如果質量足夠，行星核心可以進一步捕獲大氣層而晉升為氣體巨行星 (例如木星)。否則，它們會形成岩石類行星，例如佔了系外行星一大部分的超級地球。其實微行星透過相互引力增長至行星的過程也有一些挑戰，例如隨著距恆星距離的增加，此過程的效率會降低。為了解決這個問題，近年來天文學家研發了一套新理論：讓一顆微行星吸積較小、約為釐米至公尺大小的『卵石』。由於此類型粒子受到星盤中氣體阻力影響，導致它們較容易被微行星捕獲。現在理論家正積極研究這種『卵石吸積』機制。
一個截然不同的理論是『自上而下』。在這個理論中，原形星盤是直接因自引力而分裂成氣態團塊，而這些團塊再演化成行星。目前認知是這種『星盤不穩定性』的機制可能僅在年輕、高質量的原形星盤外部起作用。這或許能解釋遠距離冷木星的形成，例如 HR8799 行星系統。不過目前我們並不清楚星盤分裂後團塊的確切命運。研究顯示各種結果，包括快速遷移到星盤內部、或演化為岩石行星、或甚至從整個系統中彈出。我們需要更多研究來探索星盤不穩定的後果。無論如何，此機制可能無法解釋所有觀察到的系外行星。
觀看行星形成
其實自18世紀就有了行星形成於圍繞恆星周圍盤狀物的說法。但是直到最近幾年，我們才開始看到這項假設的證據。特別是有台灣參與的阿塔卡馬大型毫米/次毫米陣列 (ALMA) 計畫徹底改變了行星形成領域。ALMA讓天文學家對原形星盤進行了前所未有的細節觀測。圖六展示了近年來最驚人的發現：是這些原形星盤包含各種子結構，例如環形、間隙、懸臂、以及大尺度非對稱結構。
天文學家在最亮、最大的原形星盤中經常發現塵埃環、塵埃溝。雖然解釋眾說紛紜，但最主流、亦為最振奮的說法是這些原形星盤隱藏了行星，而行星與星盤的互動造就了所觀測到的結構。其實星盤與行星相互作用的理論研究可以追溯到將近40年。現代電腦模擬清楚顯示，行星能透過重力與星盤相互作用，從而導致它在星盤中開溝或『挖洞』。塵埃顆粒則會在間隙邊緣積聚，形成塵埃環。換言之， 原形星盤中觀測到的塵埃環溝結構可能代表了星盤中隱藏了行星，而且可能剛形成或是形成中。甚至最近天文學家已經開始由原形星盤氣體結構分析來推斷行星的存在。
但是，根據塵埃環溝所估算出的行星質量通常太小，無法通過常規的方法偵測 (見上文)。但有一個值得注意的例外，那就是PDS 70成恆星周圍具有個空洞的原形星盤。天文學家在亦在空洞內發現了兩顆大型行星，它們極可能正在雕塑星盤而造成空洞產生 (圖八)。這也許是行星形成於並與其星盤相互作用的第一個直接證據。
圖八：PDS 70原形星盤以及內部空腔與兩顆大型行星。圖自：ALMA/ESO/A. Isella。
系外行星科學是一個新穎且令人類興奮的天文領域。雖然這個領域從90年代才開始興起，但在此後，整個領域經歷了爆炸性的增長。嘆為觀止的新觀測持續帶給天文學家無窮驚喜，並挑戰了我們對行星形成的理解，其中包括我們的地球和太陽系。在本文中，筆者僅介紹了行星科學裡一些基本概念，但這只是冰山一角。此處未涵蓋的主題包括系外行星天氣、微行星盤、行星遷移、系外行星盤、系外衛星等等重要研究領域。行星形成是一個需要運用多種物理的問題，它涉及了流體動力學、塵埃動力、天體力學、化學、輻射、磁場等等領域，而且其尺度範圍從微米級的塵埃到整個行星系統都有。其複雜性也表示幾乎任何具有物理科學背景的專家都可以做出貢獻。作者特別鼓勵年輕學生尋找機會學習這個急速發展、備受矚目的天文領域。
*註：1天文單位=150,000,000公里
作者：林明楷 博士 中央研究院天文所