最近，《三體》又成了熱門話題。作為一位天文學(xué)家，我當(dāng)然不會(huì)放過(guò)這樣的科普好機(jī)會(huì)。實(shí)際上，我對(duì)行星系統(tǒng)的穩(wěn)定性一直充滿好奇。

17 世紀(jì)初，開(kāi)普勒陸續(xù)發(fā)表了他的三大定律，揭示了天體運(yùn)行的軌道規(guī)律。但當(dāng)系統(tǒng)中存在多個(gè)天體時(shí)，動(dòng)力學(xué)可能會(huì)變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致某些物體被隨機(jī)拋射出去。這也就是《三體》故事的天文學(xué)基礎(chǔ)。

在剛接觸天文學(xué)時(shí)的某一天，我突發(fā)奇想：類似的隨機(jī)拋射會(huì)不會(huì)發(fā)生在人類所在的這個(gè)太陽(yáng)系當(dāng)中呢。再說(shuō)得清楚一些，會(huì)不會(huì)咱們的太陽(yáng)系，在最初的時(shí)候遠(yuǎn)不止有“八大行星”，而是有更多的行星，只不過(guò)其中一顆或者一些早期行星已經(jīng)被隨機(jī)拋射出去了？

太陽(yáng)系的行星和矮行星。圖中僅大小按比例繪制，距離不依比例丨Wikipedia

這個(gè)問(wèn)題一直縈繞在我的腦海里，并成為我天文學(xué)研究的一個(gè)方向。

為什么要先找孿生雙星？

為了解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)，我們進(jìn)行了一項(xiàng)大規(guī)模的光譜調(diào)查，深入研究了附近的恒星。我們特別關(guān)注了 91 對(duì)同時(shí)形成且性質(zhì)相同的孿生雙星。

這與社會(huì)學(xué)中研究孿生兄弟/姐妹的方法具有一定的相似性。在化學(xué)成分方面，一對(duì)孿生兄弟/姐妹其所含元素及比例大體上差不多。如果這兩個(gè)“兄弟/姐妹”之間存在任何差異，那么這些變化肯定是由“后天因素”引起的。

舉例來(lái)說(shuō)，地球上的鐵元素占比比太陽(yáng)更高，而太陽(yáng)的氫、氦等元素占比要比地球更高。因此，如果假設(shè)地球掉進(jìn)太陽(yáng)，太陽(yáng)中某些元素的比例就會(huì)發(fā)生變化——如果太陽(yáng)有一個(gè)孿生兄弟/姐妹，那么這個(gè)時(shí)候太陽(yáng)跟它就出現(xiàn)了化學(xué)成分方面的差異。

恒星吞噬行星并不罕見(jiàn)

最初，我們也是帶著探索的態(tài)度：如果能找到一對(duì)有差異的孿生兄弟，就已經(jīng)是一個(gè)巨大的成功。但沒(méi)想到，我們找到了不止一對(duì)，而是竟有十多對(duì)。

當(dāng)然，恒星之間的差異并不一定是因?yàn)橥淌闪怂鼈兊男行?。我們也考慮了恒星大氣中元素沉淀機(jī)制的差異。為了驗(yàn)證我們的假設(shè)，我們進(jìn)行了詳細(xì)的建模和排查。

主要的就是上面所說(shuō)的，相對(duì)于太陽(yáng)，地球的重元素對(duì)可揮發(fā)元素的比例較高。我們發(fā)現(xiàn)，在那些存在差異的孿生兄弟/姐妹中，至少有七組，其元素差異是可以對(duì)應(yīng)上“地球掉入太陽(yáng)里”這樣的情況的。

福爾摩斯曾說(shuō)，當(dāng)所有最可能的情況都被排除后，剩下的，哪怕是概率不高的，也必然是真理。對(duì)偵探來(lái)說(shuō)是這樣，對(duì)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)當(dāng)然也是。

所以，我們的結(jié)論是，在每十二對(duì)恒星中，至少有一個(gè)恒星曾經(jīng)吞噬了環(huán)繞它的行星物質(zhì)。這項(xiàng)研究最近發(fā)表在《自然》雜志的封面上。

有趣的是，這個(gè)現(xiàn)象看起來(lái)有點(diǎn)像是劉慈欣在另一部作品《吞食者》中描述的情況，或者西班牙畫(huà)家戈雅晚年“黑色繪畫(huà)”中的名作《農(nóng)神吞噬其子》。

西班牙畫(huà)家弗朗西斯科·戈雅（Francisco José de Goya y Lucientes）畫(huà)作《農(nóng)神吞噬其子》丨Wikipedia

我們的研究結(jié)果表明，如《三體》里的情況，許多行星系統(tǒng)都存在一定程度的不穩(wěn)定性。與書(shū)中描述不一樣的是，即使沒(méi)有臨近伴星，這樣的不穩(wěn)定性依然存在。

近年來(lái)，一些研究行星動(dòng)力學(xué)理論的學(xué)者也指出，尤其是那些存在大質(zhì)量“超級(jí)地球”的系統(tǒng)本身就是不穩(wěn)定的。恒星和大質(zhì)量行星的引力擾動(dòng)可能足以引發(fā)不穩(wěn)定性。就有點(diǎn)像……如果一個(gè)家里孩子眾多，那多半家里整天都是亂糟糟的。

現(xiàn)實(shí)中恒星吞噬行星的概率更高

盡管有一些理論的支持，但如此高的吞噬概率確實(shí)出乎我們的預(yù)料。這意味著行星系統(tǒng)的不穩(wěn)定性可能比我們之前認(rèn)為的更加普遍。我們能觀測(cè)到的信號(hào)很可能只是冰山一角。

恒星吞噬行星示意圖丨Handout/NSF's NOIRLab/AFP

首先，被拋射的行星并不一定會(huì)掉進(jìn)宿主星。實(shí)際上，行星被拋射的方向可能是向內(nèi)或向外的。如果是向內(nèi)，它們可能會(huì)被恒星吞噬。但更有可能的是，這些行星會(huì)被拋射到恒星系統(tǒng)外，成為“流浪行星”，在宇宙中漂流。

此外，即使行星被吞噬，由于恒星大氣的對(duì)流作用，這種痕跡經(jīng)過(guò)一段時(shí)間也可能消失。這個(gè)過(guò)程就像將牛奶倒入咖啡中，它會(huì)在咖啡表面形成獨(dú)特的紋理，但這些紋理會(huì)隨時(shí)間變化并最終消散。

我們就是通過(guò)這樣的觀察發(fā)現(xiàn)了那十二分之一的“吞噬者”。不過(guò)，牛奶的紋路會(huì)逐漸擴(kuò)散，直到完全消失——我們最終看到的是一杯均勻的拿鐵。恒星上的紋路也是如此，因此，很久早前發(fā)生的吞噬事件我們是無(wú)法觀察到的。

也就是說(shuō)，盡管在我們的樣本中觀察到的概率是十二分之一，但實(shí)際的概率可能要高得多。其余的恒星系統(tǒng)可能也存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，或者被拋射的行星只是成了“流浪地球”，或者吞噬的痕跡隨著時(shí)間被磨平。

盡管我們的發(fā)現(xiàn)很有趣，但正如所有科學(xué)發(fā)現(xiàn)一樣，它提出的問(wèn)題比結(jié)論本身更重要。

可能的解釋是，行星被拋射的頻率非常高，所以在任何時(shí)間點(diǎn)，都會(huì)有一些恒星表現(xiàn)出“拿鐵拉花”現(xiàn)象；或者恒星的對(duì)流過(guò)程非常緩慢，使得吞噬行星的痕跡能夠長(zhǎng)時(shí)間保留。然而，鑒于我們對(duì)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和恒星的熱對(duì)流過(guò)程理解還不完整，這些問(wèn)題還需要進(jìn)一步的研究來(lái)解答。

我希望我們的研究能夠激勵(lì)更多人投入到行星系統(tǒng)及其與恒星關(guān)系的研究中，揭開(kāi)這些謎題的面紗。

也許，我們工作的一個(gè)更重要的啟示是——地球上生命的繁榮依賴于一種微妙的平衡，而我們所在的宇宙家園可能比我們想象的要更加脆弱。作為一名天文學(xué)家，我將繼續(xù)探索宇宙的奧秘，尋找更多關(guān)于我們所處位置的線索。同時(shí)，我也希望我們的研究能夠引發(fā)更多人對(duì)行星系統(tǒng)穩(wěn)定性的思考，提高我們對(duì)宇宙家園的認(rèn)識(shí)和珍惜。只有這樣，我們才能更好地守護(hù)這片生命賴以生存的樂(lè)土，讓地球上的文明繼續(xù)繁榮發(fā)展下去。

策劃制作

作者丨丁源森 澳大利亞國(guó)立大學(xué)天文與計(jì)算機(jī)系副教授

審核丨韓文標(biāo) 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員

策劃丨徐來(lái)

責(zé)編丨徐來(lái)、何通

審校丨林林