失蹤行星之謎

肖恩?雷蒙德

我要告訴你一個(gè)未解之謎：下落不明的特洛伊之謎。說到“特洛伊”這個(gè)詞，你也許會(huì)想到神話傳說中的那匹肚子里藏著士兵的特洛伊木馬，或許你會(huì)想到南加利福尼亞大學(xué)的特洛伊人隊(duì)（南加利福尼亞州大學(xué)的特洛伊人隊(duì)是太平洋十校聯(lián)盟中最強(qiáng)的隊(duì)伍之一。之所以取這個(gè)名字，是因?yàn)槟霞永Ｄ醽喼荽髮W(xué)的校友都自稱特洛伊人），或許你還會(huì)想到某種電腦病毒，或者你想到了安全套（“特洛伊”是美國一個(gè)知名安全套品牌）。但是請注意，我說的是“下落不明的特洛伊之謎”，而不是“特洛伊失蹤案”。

我說的是另外一種“特洛伊”：那是一條軌道，幾千顆小行星一窩蜂地聚在一起，與木星共享一個(gè)公轉(zhuǎn)軌道，繞太陽運(yùn)行。然而，不像我們的月球緊貼著地球繞太陽運(yùn)行，它們并不靠近木星，而是聚成兩團(tuán)，其中一團(tuán)在木星的前面，而另一團(tuán)則在木星的后面。在前面的那一團(tuán)被稱作希臘小行星群，而尾隨在木星后面的那一團(tuán)被稱作特洛伊小行星群，但是通常它們被合在一起，簡稱為木星的特洛伊小行星群（這些小行星中的很多都是以

特洛伊戰(zhàn)爭中神話人物的名字來命名的）。

木星的質(zhì)量比地球大3 0 0倍，它的引力幾乎清空了小行星帶。我們認(rèn)為，小行星帶曾經(jīng)擁有的物質(zhì)總量可能是現(xiàn)在的1 0 0 0倍。那么，這些特洛伊小行星是如何在一個(gè)離氣體巨星如此近的地方幸存下來，而且依然保持穩(wěn)定軌道的呢？

說起來，這是很久以前的事了。早在1 7 2 2年法國數(shù)學(xué)家約瑟夫·路易斯·拉格朗日就已經(jīng)計(jì)算出來了：如果我們把一顆行星圍繞恒星公轉(zhuǎn)的軌道可視化，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這條軌道上有一些特殊的點(diǎn)，在這些點(diǎn)上，可能有其他天體以與該行星相同的速度圍繞恒星公轉(zhuǎn)。這些點(diǎn)被稱為拉格朗日點(diǎn)，總共有5個(gè)，分別被命名為L1至L5。

只有兩個(gè)拉格朗日點(diǎn)是穩(wěn)定的：L4和L5。位于這兩個(gè)點(diǎn)或靠近這兩個(gè)點(diǎn)的天體能夠很“幸福地”圍繞著太陽運(yùn)行，它們與太陽的連線和木星與太陽的連線保持著大約6 0°的夾角。更準(zhǔn)確地說，這些“多出來”的天體其實(shí)是圍繞著其所屬的拉格朗日點(diǎn)，以大約2 0°的典型振幅在擺動(dòng)；甚至還有一類被稱為“馬蹄鐵形”軌道，大約在L4和L5之間運(yùn)行。木星之所以擁有特洛伊小行星，只是因?yàn)樵谄銵4和L5仍然能夠保持穩(wěn)定。在這個(gè)動(dòng)蕩的“汪洋大?！敝校鼈兎Q得上是“安全島”。如果小行星被均勻地“播撒”在內(nèi)太陽系中，那么唯一能夠在木星附近幸存下來的，就是這些特洛伊小行星了。

木星并不是太陽系內(nèi)唯一擁有特洛伊小行星的行星。海王星（1 3個(gè)）、火星（7個(gè)）和天王星（1個(gè)）也擁有特洛伊小行星，甚至連地球也擁有1個(gè)！但是，出人意料的是，土星沒有任何特洛伊小行星，很可能是因?yàn)樵跀?shù)百萬年內(nèi)，木星的引力破壞了土星的特洛伊小行星的穩(wěn)定性。然而，盡管土星的“安全島”已經(jīng)沉沒在了宇宙這片動(dòng)蕩的“汪洋大?！敝?，土星的衛(wèi)星卻實(shí)實(shí)在在地?fù)碛?個(gè)特洛伊小行星，金星也是一樣。

讓我們把特洛伊天體這個(gè)概念再向前延伸一步。陷入L4和L5這兩個(gè)“安全島”附近的，并不一定是“瘦小”的小行星，也可能是發(fā)育完全的行星！如果兩顆行星處在相同的軌道，彼此呈6 0°角分開，它們就形成了一對(duì)特洛伊行星。

在人們試圖了解系外行星是如何形成的時(shí)候，所進(jìn)行的計(jì)算機(jī)模擬中會(huì)有規(guī)律地出現(xiàn)特洛伊行星。并不是每次模擬都會(huì)出現(xiàn)特洛伊行星，但是每模擬三四次，它的的確確就會(huì)突然出現(xiàn)一次?，F(xiàn)在，許多已知的系外行星的公轉(zhuǎn)軌道距離它們的恒星非常近，天文學(xué)家認(rèn)為，這些行星中有很多是形成于離恒星更遠(yuǎn)的地方，然后在一種被稱為軌道遷移的過程中，被推到了更為接近恒星的地方。而引發(fā)行星遷移的動(dòng)力，正是來自孕育了行星的氣體塵埃盤。正是在這一遷移過程中，鄰近的行星可能會(huì)陷入特洛伊位形中。

因此，我們認(rèn)為特洛伊行星應(yīng)該真實(shí)存在，而且它們應(yīng)該能夠被人們現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡觀測到！在這一方面，最好的工具就是開普勒空間望遠(yuǎn)鏡，它是美國航空航天局專門用于尋找行星的、出色的空間望遠(yuǎn)鏡。那么，開普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了些什么？

呃，開普勒空間望遠(yuǎn)鏡至今仍未發(fā)現(xiàn)任何特洛伊行星。雖然美國航空航天局曾經(jīng)宣布過在一個(gè)名為KOI-7 3 0（現(xiàn)名為開普勒-2 2 3）的四行星系統(tǒng)中有兩顆特洛伊行星，它們共享一個(gè)公轉(zhuǎn)軌道，另外兩顆行星中的一顆位于特洛伊行星的內(nèi)側(cè)，而一顆位于外側(cè)。但遺憾的是，該系統(tǒng)后來被確認(rèn)是另外一種不同的位形，其中沒有特洛伊行星。唉，真是令人失望。

尋找系外特洛伊行星的工作已經(jīng)持續(xù)好幾年了，而且還在繼續(xù)，但就目前來看，形勢非常嚴(yán)峻。據(jù)推斷，特洛伊行星是相對(duì)比較容易觀測的，因此問題就出現(xiàn)了，它們怎么就不見了呢？有兩種可能：第一，它們就在那兒，但是我們還沒有發(fā)現(xiàn)；第二，根本就沒有特洛伊行星。

有沒有可能特洛伊行星比我們想象中更加難以發(fā)現(xiàn)呢？試想一下，兩顆行星在相同的軌道上運(yùn)行，發(fā)出頻率相同的信號(hào)，那么就會(huì)使得這對(duì)行星看上去像是一片噪音。此外，存在于兩顆特洛伊行星之間的引力拖拽，也會(huì)改變它們的信號(hào)相位。但是，這些知識(shí)現(xiàn)在我們已經(jīng)掌握了，并且能夠利用這一點(diǎn)，作為發(fā)現(xiàn)特洛伊行星的一種途徑。

此外，特洛伊位形既有可能被行星的向內(nèi)遷移破壞，也有可能因與其恒星太近、所受潮汐作用太強(qiáng)而遭到破壞。然而，這些破壞機(jī)制理應(yīng)只影響到其中的一小部分。

我個(gè)人比較偏向這樣一種理論。行星成群結(jié)隊(duì)地內(nèi)遷，通常包括成對(duì)的特洛伊行星。但是，當(dāng)氣體原行星盤消散后，這些遷移后的行星的軌道就亂了套。然后就是一個(gè)行星之間大碰撞的階段，這個(gè)階段既毀掉了成對(duì)的特洛伊行星，也重組了幸存者的軌道。這一模型與我們在系外行星數(shù)據(jù)集中看到的相吻合，因此令人倍感鼓舞。此外，行星偶爾的向內(nèi)遷移并沒有擾亂其軌道，根據(jù)這個(gè)模型推算，可能真的有一些成對(duì)的特洛伊行星在那里，并且我們能夠預(yù)測出在哪里能夠找到它們。當(dāng)然，這只是一個(gè)模型，隨著大量觀測數(shù)據(jù)的涌現(xiàn)，我們將拭目以待，看它如何經(jīng)受時(shí)間的考驗(yàn)。

肖恩·雷蒙德，天文學(xué)家，主要研究行星系統(tǒng)的形成和演化。