银河系内有和地球一样的地外行星系统吗？

伤我心太深

　　在辽阔的银河系中，是否还存在和人类居住的太阳系相似的行星系统?如果存在，那么存在多少呢?众多天文学家和生物学家都对这个问题十分关心，但是却一直没能解决。

　　这些科学家之所以如此重视这个问题，是因为它的答案对寻找地外文明具有重要的意义。我们知道，银河系中数量最多的天体是恒星，恒星的数量大约为1000亿颗以上。但是恒星都是发光发热的，所以如果银河系中只有恒星，无论数量多么巨大，也都无法存在地外文明。原因很简单，恒星表面的温度太高，导致形成生命的基本物质都无法在恒星表面存活，何况是形成生命了。在恒星中，物质只能以原子或者中子等状态出现。


　　恒星虽然为生命的诞生提供了能量，但是却无法为生命提供适宜的温度和环境。有机物必须在一定的温度范围内才能保持活力，而这些有机物是形成生命的基本单位。所以，生命想要诞生，只能存在于恒星附近的行星上。这颗行星能够从恒星接受能量，为生命提供适宜的温度。如果一颗行星具有这样的条件，那么也许会存在生命。

　　太阳系是我们所知的唯一一个拥有生命乃至智慧生物的星系，除此之外，我们还没有办法对其他恒星系进行有效的观察和探索，来直接观测恒星周围是否有围绕着它旋转的行星。所以，我们目前只能先对太阳系进行深入的研究，如果能够知道太阳系的形成过程，也许就能对银河系中其他具有行星的恒星系统有所了解。

　　关于太阳系的进化，第一个被普遍接受的理论是拉普拉斯提出的星云假说。1796年，法国物理学家和天文学家拉普拉斯提出，太阳系是由一个炽热的气体星云形成的。在星云冷却的过程中发生了收缩，自转速度因此加快，产生强大的离心力，形状也从一个云团变成了扁平的盘状。在收缩过程中，每当星云的离心力与自身的引力达到平衡，就分离出一部分物质，形成一个绕着星云中心运行的环。这个过程重复了多次，形成几个环。星云的核心部分就演变成了太阳，而围绕星云转动的环就成了太阳系中的行星。有些行星的体积较大，因此在演变的过程中也分离出一部分气体，就会形成行星的卫星。



　　如果太阳系的形成过程果真如此，那么就能够假设银河系中的其他恒星也是通过这样的方式形成的。也就是说，每颗恒星都能拥有自己的行星系统。但是这个理论似乎不能通过严格的考验。

　　拉普拉斯提出的这个假说具有的最大的问题是角动量问题。角动量，是用来研究一个物体或者系统的转动趋势的，是角速度与转动惯量的乘积。所谓转动惯量，在物理学上是指物体的质量与它和转动轴的距离的平方的乘积。因为角动量具有守恒定律，因此当距离缩小时，转速就会增加。如果拉普拉斯的假说是正确的，那么气体星云在离心力的作用下变为盘状时，位于星云中心的太阳将具有非常快的自转速度。但是根据我们的实际观测，太阳的自转速度并没有这么快，位于太阳赤道上的一点需要27天才能旋转一周。那么，太阳系刚诞生时太阳的速度如果很快，现在为什么会变慢呢?这种情况已经违反了角动量的守恒定律。造成这种情况的原因是，占整个太阳系质量99.9%的太阳，却只占所有角动量的1%。其余的行星以及星际物质的角动量之和，占了整个太阳系角动量的99%。这就是太阳系的角动量分布问题。


　　为了解释太阳系中角动量的特殊分布，天文学家们又抛弃了恒星系中逐渐形成星系的渐变理论，提出了一种新的灾变理论。在这种理论中，形成恒星的原始星云在缓慢的转动中只形成了恒星，也就是太阳，并没有一同形成行星。后来，太阳在银河系中运动时，与其他天体发生了碰撞，形成了今天的行星，同时将自身的角动量传递给了它们。最早的灾变理论，是法国科学家布冯于1745年提出的。他认为，在太阳刚形成没多久的时候，一颗巨大的彗星撞向了太阳。一些物质从太阳中分离出来，形成了彗星。但是据我们所知，彗星通常都很小，和太阳这样的恒星相比十分渺小，所以不具备撞击太阳形成行星的能力。


　　到了1878年，英国天文学家比克顿又提出了另一种灾变理论。他认为，太阳是与另一个恒星相撞而损失了一些物质并形成行星的。后来，美国数学家张伯伦等人在20世纪初也提出了一些与之相似的理论，认为另一颗恒星曾经与太阳十分接近，引力带来的潮汐作用从太阳上吸出了部分物质，并且形成了行星。

　　但是在对灾变理论进行深入分析时，又出现了难以解决的问题。首先，从太阳上吸出的物质，是不会跑得那么远的。其次，恒星的巨大引力也会使自身难以将大部分角动量都传递给行星。20世纪20年代，英国物理学家爱丁顿经过计算认为，太阳中心的温度高达数百万摄氏度，因此从太阳上脱离的物质也十分灼热。这些物质无法凝聚在一起形成行星，只能变为稀薄的气体飘散到宇宙空间里。





　　在这种无奈的情况下，德国天文学家魏茨泽克再次提出了一种新的星云说，同时利用一些新发现和新知识对一个半世纪之前拉普拉斯提出的星云说做出了详细的补充。这种理论认为，太阳在刚刚诞生时，周围包裹着一层厚厚的气体尘埃，这些尘埃在围绕太阳旋转的过程中，内部出现了湍流，行星就是在这些气体湍流中逐渐形成的。


　　在这之后，美国天文学家柯伊伯和化学家尤里分别进一步完善了魏茨泽克的理论，更好地对行星诞生的过程进行了解释。但是，太阳系的角动量特殊分布问题仍然没有得到完美的解决。
　　瑞典天文学家阿尔文为了解决这个问题进行了很多有意义的工作。他对太阳形成的初期向外抛射物质的现象进行了描述，认为离开太阳的物质通过太阳的电磁场作用获得了角动量。他认为，是太阳的磁场作用，把角动量传递给了这些物质，而且让这些物质能够远离太阳，形成行星，具有今天能够被观察到的角动量。

　　天体物理学通过长时间的发展，越来越有力地证明了星云说的正确，因此这一学说成为如今解释太阳系的形成过程的主流说法。对于寻找地外生命，这一理论十分重要。如果太阳系果真是如星云说理论中提到的那样形成的，那么行星就是恒星自身演化的结果。从这点上来看，几乎每颗恒星都应该有自己的行星系统，那么地外生命存在的可能性就很高。反之，如果太阳系是在灾变中形成的，那么恒星系中出现行星的概率就非常小，完全取决于宇宙中发生的碰撞和灾难。而两颗恒星在宇宙中相撞的概率是如此之低，以至于放眼整个银河系，都未必能够找出几个拥有行星系统的恒星。在这样少的行星系统中，存在生命的概率也会非常小。


　　现在，普遍被接受的理论是星云假说，这就说明，绝大部分科学家都认为银河系中的恒星普遍存在自己的行星系统。如果这种情况是真实存在的，那么银河系中到底有多少行星系统呢?因为行星与恒星相比体积很小，而且自身无法发光，因此在目前人类掌握的技术水平下，无法直接观测到宇宙中的行星。所以，想要对行星形成了解，首先要从太阳系入手。


　　因为太阳具有自己的行星系统是一件确定的事实，所以我们能够对它的特点进行分析，并且利用这些特点去寻找类似的恒星。太阳最显著的特点就是自转很慢，所以整个太阳系的绝大多数角动量都分布在行星上。如果用这个特点进行推论，那么如果一颗恒星具有行星系统，它的自转速度也应该很慢。那么该如何计算恒星的自转速度呢?虽然在望远镜中，恒星只是一个发光的点，但是能够通过它发出的光进行很多分析。首先，恒星发出的光是不同波长的光混合在一起的，这就形成恒星特有的光谱。恒星的光谱通常具有很大的差异。在尝试过很多方法和标准之后，天文学家们将恒星的光谱分为O、B、A、F、G和M几种类型。每种类型又加以细分，分为十个次型。其中，O型光谱代表的是具有的质量最大、亮度最高的恒星，而M则正相反，代表质量轻、亮度低的恒星。根据这个标准，太阳属于G2型恒星。


　　1931年，美国天文学家发现，质量越大的恒星，其自转的速度也越快，因此光谱为O、B、A的恒星，和F型光谱中的质量较大的恒星，自转的速度都很快。而从F2等级开始直到M型恒星，自转的速度都很慢。


　　因此可以这样说，以光谱区分，一半的恒星自转较快，另一半自转较慢。但是这不意味着可以从所有恒星的数量上如此进行分别。因为，小型恒星的数量要远远大于大型恒星的数量。以我们目前的观测结果来说，只有不到7%的恒星是属于光谱O型到F2型的。

　　也就是说，只有不到7%的恒星的自转很快，而余下的93%的恒星，自转速度都很慢，也就是说可能具有行星系统。美国天文学家卡尔·萨根教授的估计比这个数字要保守一些，但是他也认为，在银河系里，至少有三分之一的恒星具有自己的行星系统。


　　同时天文学家们发现，在实际观测中，一些恒星的运动轨迹十分可疑，不是一条直线，而是呈现出曲线的状态。这就说明，恒星在运动中发生了晃动。科学家们开始对此进行研究，想要找到造成这种现象的原因。


　　通过经典力学理论我们可以知道，两个天体在相互吸引的时候，引力对双方都起作用。也就是说，从严格意义上来讲，两个天体将围绕一个共同质心运动，而不是其中的一个绕着另一个运动。当然，如果两个天体的质量差距太大，那么两个天体的公共质心会距离大天体非常近，甚至就在大天体的内部。在这种情况下，大天体的转动就表现为晃动，也就是说，如果恒星发生了晃动，说明有其他天体对它产生了引力作用。


　　通过天体力学理论，我们能够计算出对质量较大的恒星产生引力作用但是无法被观测到的天体的质量和大小。如果发现的这些天体不是双星或多星系统中的伴星，那么就有可能是行星。


　　巴纳德星距离地球只有5.9光年，而且存在周期性的晃动。根据巴纳德星的运动规律，天文学家认为它至少存在两颗行星，分别为木星质量的0.4和0.8倍。如果这个分析是正确的，那么巴纳德星就也是一个具有行星系统的恒星。


　　到目前为止，在对离太阳距离最近的20颗恒星进行观察和分析之后，天文学家认为，至少一半的恒星存在一颗或者几颗行星。如果整个银河系中的恒星都适用这个比例，那么就是说，银河系中大约一半的恒星具有自己的行星系统。

　　行星虽然体积很小，而且无法自行发光，表面温度也不高，但是它仍然能够向宇宙空间发出红外线。如果我们发现某个星体能够发射红外线，那么结合一些条件，就能在无法直接观测到它的情况下，确认这个星球的存在。


　　1983年，美国和英国、荷兰联合研制并发射了一颗用来探测宇宙中的红外线的卫星，用来收集红外信息。通过对它发回的资料进行分析，天文学家们已经在织女星附近发现了一些尘埃云。这些尘埃云的温度很低，并且由固体组成。通过计算，这些尘埃云的体积相当于一颗普通行星。因为它的温度很低，而且体积很小，所以不可能是恒星。但是这颗行星可能正在成长中，还处于行星进化的幼年时期。还有一颗星球可能也是这样的幼年行星。这个行星是在绘架座β星附近发现的。1984年，美国喷气推进实验室的天文学家理查德在使用位于智利的拉斯坎纳斯天文台的太空望远镜对绘架座β星进行观察时，发现它的附近存在固体尘埃组成的星云，而且星云的形状呈现出圆盘状。这个圆盘的直径大约为1000亿千米，科学家们经过分析认为，这可能是恒星周围正在发育的行星系。


　　还有一颗被命名为VB8B的疑似行星，比我们之前提到的这两个幼年行星更加具体。通过对这个星体的研究，证明它可能的确是一颗行星，并且可能是我们在太阳系之外找到的第一颗行星。


　　通过以上分析我们能够知道，要想搞清楚银河系中是否存在其他行星系统，以及这些行星系统的数量，就要通过对太阳系的理论不断进行深入研究和完善。同时，还要进一步提高科技水平，丰富观测手段。科学家们相信，随着科技的发展和知识的进步，在未来我们能够实现突破性的进展，找到地外行星系统存在的确实证据。