天文学家到底在数什么
当天文学家说一颗恒星有“很多”或“很少”行星时,他们通常指的是能探测到的行星,而不是所有存在的行星。这些研究之一使用的开普勒巡天统计的是半径至少约为地球半径、轨道周期在400天以内的行星——换句话说,是距离恒星足够近、能从恒星前方经过并被发现的那些行星[3]。这只是行星系统中很窄的一部分。像木星那样遥远的巨行星,轨道很远、绕一圈要花好几年,就不会出现在这个统计里。
有了这个前提,巡天结果显示,大约30%的类太阳恒星拥有这类近距离行星,而每个这样的系统在400天内平均约有3颗行星[3]。作者指出,太阳系虽然不属于这个“开普勒俱乐部”,但它在400天内也有3颗行星,而且其行星的轨道倾角与行星数量相同的开普勒系统相似[3]。所以,按近距离行星数量来衡量,太阳相当普通。
为什么太阳仍显得与大多数开普勒系统不同
差别不在于行星数量,而在于它们的排列方式。开普勒系统通常挤满了轨道紧凑、近乎圆形的行星,全都紧挨着恒星。太阳系则是小型岩质行星靠近内侧,巨行星远得多,中间有一大段空隙。正是这种结构让太阳系在开普勒样本中显得与众不同[3]。
同一项研究在开普勒系统中发现了一个规律:一个系统的行星越少,它们的轨道往往越分散、越倾斜——作者称之为“动力学上更热”[3]。太阳系在小尺度上符合这一趋势,因为它的三颗内行星的轨道倾角分布与行星数量相同的开普勒系统相似[3]。换句话说,太阳系在行星数量上并不奇怪;它之所以特别,主要是因为拥有远离恒星的巨行星,而近距离巡天并不是为了发现这类行星而设计的。
水和太阳内部:我们的系统还有别的特别之处
行星数量只是衡量特殊性的一种标准。地球表面的液态水在类地行星中并不常见,后者通常缺乏液态水[2]。一项对金星和地球的模拟研究得出结论:富含水的小行星撞击这些行星,无法解释金星大气的实测成分,这意味着在巨大撞击之后送来的物质是干燥的[2]。这反过来表明,地球的水从形成时就已存在,埋得足够深,能在撞击中幸存下来,而且行星可能在形成时就带有几乎全部的水预算,然后逐渐失去[2]。这是模型提出的解释,并非定论,但它表明地球的水确实是我们系统的一个真正区别性特征。
太阳本身也携带着其行星的微弱记录。太阳演化模型表明,行星形成发生在太阳外层对流层仍然很厚的时候,因此它引起的成分变化太小,无法解释太阳模型与观测之间长期存在的不一致[5]。即便如此,模型发现行星形成在太阳核心留下了微小的印记,使其金属丰度提高最多约5%,这一预测可以通过精确测量太阳中微子通量来检验[5]。这是一个微妙的特征,并不是太阳行星数量不寻常的证据。
那么八颗算多吗?
诚实的答案是,除了我们自己的恒星,我们尚未知道任何一颗恒星的完整行星数量,因此用现有证据无法比较总数。巡天确实表明,拥有几颗近距离行星的系统很常见——大约30%的类太阳恒星有这类行星——而太阳的内系统在行星数量和轨道倾角上都符合这一模式[3]。太阳系之所以看起来独特,主要是因为其遥远的巨行星和地球拥有液态水,而不是因为八颗这个数字不寻常[2][3]。
证据中还有一个更宏观的观点:在一段关于另类天空的历史讨论中,太阳的行星系统被描述为以火星结束,这提醒我们,如何计算“行星”取决于我们把什么算进去[1]。该来源并未讨论太阳的行星数量是否奇怪,因此它提供的是背景而非结论。所提供证据的整体指向是一致的:太阳拥有多颗行星并不奇怪,但它们的排列方式可能不寻常。
本文引用的文献
多重天空:太阳、月球、行星和恒星的另类历史
该论文探讨了天体的另类历史,并提到太阳的行星系统以火星结束,但没有讨论行星数量是否不寻常。
晚期吸积与太阳系类地行星上水的起源
对金星和地球的模拟表明,晚期送来的小行星物质是干燥的,这意味着地球的水从形成时就已存在,并且埋得足够深,能在巨大撞击中幸存下来。
约30%的类太阳恒星拥有开普勒式行星系统:对其内在结构的研究
约30%的类太阳恒星拥有近距离的开普勒式行星,这类系统在400天内平均约有3颗行星,而太阳系的三颗内行星和轨道倾角分布与行星数量相同的开普勒系统相似。
牛顿引力下的旋转行星
一个旋转行星模型仅用两个参数就能拟合从地球和火星到土星和妊神星等天体的形状和表面速度场,行星环也自然出现。
行星形成在太阳深部内部的印记
行星形成发生在太阳对流区仍然很厚的时期,只留下了最多5%的微小核心金属丰度提升,这可以通过太阳中微子测量来检验。
