三大宇宙謎團——第一部分

本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映的是作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點

儘管取得了顯著的成就（以及任何相反的說法），但在許多方面，我們仍然對宇宙的本質及其內容知之甚少。這可能看起來令人沮喪，但我認為這非常令人興奮——人類的智慧有如此多的東西需要研究和嘗試理解，有如此多的樂趣可以享受，有如此多的敬畏之情可以探索！

為了給北半球的夏季帶來一點刺激，我挑選了三個謎題，分別在本篇和接下來的兩篇文章中討論。這些當然不是科學界唯一的難題——但它們是適合在陽光下發呆時思考的好素材。

第一部分：行星系統

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是的，就是普通的行星。

系外行星科學的現狀有一種絕妙的諷刺意味。一方面，在過去的20年裡，我們見證了圍繞其他恆星的世界的發現方面發生了不可否認的革命。行星不僅像宇宙塵埃一樣普遍，而且在大小、可能的組成和軌道構型方面也千差萬別。

然而，在所有這些變化之中——證實了行星形成的高度隨機性，從軌道動力學的非線性到行星不可預測的碰撞歷史——大多數行星系統看起來根本不像我們的太陽系。即使考慮到我們探測方法的偏差，擁有像木星和土星那樣配置的氣態巨行星，以及像我們太陽系這樣大小和間距的內行星的世界，也並不常見。

我們星系中的大多數恆星似乎都擁有行星。但是大多數恆星也擁有許多小型和中等大小的行星，它們的軌道都可以在水星軌道內整齊地排列——週期不到100個地球日。事實上，大約50%的類太陽恆星擁有質量在地球質量和地球質量的50倍之間的行星，它們的軌道週期不超過幾個月。

此外，我們太陽系中的宇宙化學證據（來自隕石和行星）表明，原始固體天體形成得非常早——大約在46億年前。相比之下，類地行星的形成直到大約1億到2億年後才完成。這本來不會太令人費解，但目前的超級地球系外行星的資料表明，許多行星都擁有巨大的氣體大氣層（主要是氫氣和氦氣）。這些大氣層必定是在其系統形成的早期，在氣體消散之前，就被已經形成的岩石行星捕獲了——就像在我們的太陽系中，在其歷史的1億年內氣體就必須消散一樣。

換句話說，我們的類地系外行星表親似乎在其系統的時間線上形成得比地球、火星、金星或水星更早。在我們的嬰兒太陽系中，一定發生了某種事情，阻止或消除了大量近距離軌道執行但體積可觀的行星。

為了幫助解釋這種情況，提出的想法之一是所謂的木星大沖撞假說。在這種設想中，年輕的木星向內遷移到離太陽約1.5天文單位的位置，然後在與土星捕獲軌道平均運動共振後向外（“衝撞”）。木星的向內俯衝可能擾亂了早期一批近距離軌道執行的行星，導致它們在碰撞和合並中自行整理，而這至少需要再花費1億年的時間才能完成。

最重要的是，太陽系似乎並不典型，甚至可能非常不尋常。這不僅挑戰了我們目前關於行星形成的模型（這些模型嚴重依賴於來自我們的行星、衛星、小行星和其他原始天體的本地證據），而且還提出了一個棘手的問題，即這裡生命的存​​在是否與我們整個太陽系的特殊性直接相關。

答案是什麼？我們尚不清楚，但也許答案在於觀察其他年輕行星系統中發生的類似情景——由ALMA等天文臺捕獲。