谢懿，科学松鼠会成员，天文学博士，副教授，目前在南京大学天文与空间科学学院任教。此外，还担任天文科普杂志《天文爱好者》编委，以及一些科普文章的编译者。个人签名：把天文学带给大众。
（Shea/编译）
20多
年前，当天文学家在一颗普通恒星周围发现第一颗太阳系外行星时，他们既高兴又困惑。这颗行星被称为飞马51b，它的质量为木星的一半，但它为期仅4天的公转周期——远远小于水星的88天——使得它极端地靠近其宿主恒星。研究行星形成的理论家们找不出一条途径能在距离新生恒星这么近密的地方形成一颗质量这么大的行星。它也许只是另类的个案，但很快在对太阳系外行星的搜索中涌现出了更多的“
热类木星
”，而另类程度则有增无减：它们有着大椭圆和高倾角的轨道，有些甚至以“逆向”绕恒星公转——与恒星的自转方向相反。
2009年，美国宇航局开普勒探测器的发射加速了太阳系外行星搜寻的进程，它所发现的2500颗行星使得对其进行统计分析成为了可能，然而情况却变得越加令人困惑。“开普勒”发现银河系中最普遍的行星类型是一类大小介于地球和海王星之间的行星——被称为“
超级地球
”，太阳系中不存在这样的行星，它们曾被认为是几乎不可能形成的。现在，地面望远镜已经能直接探测到来自太阳系外行星的光，而不是像“开普勒”那样地做间接探测，但异常的情况依然不断。天文学们发现，
质量数倍于木星的巨行星可以在2倍于海王星到太阳的距离上绕其宿主恒星公转
——这是另一个理论家们认为不可能形成巨行星的区域。其他的行星系统则看起来一点也不像我们有序的太阳系，挑战着用来解释太阳系的经典理论。
“很明显，从第一天开始情况就与预期的相去甚远，”美国斯坦福大学的物理学家布鲁斯·麦金托什（Bruce Macintosh）说，“理论从来就没有赶上过观测。”
（从其假想卫星上所看到的）太阳系外行星HR 8799 b是一颗超级木星，它绕其宿主恒星公转一周需要460年。
理论家们正在试图迎头追赶，提出可以在曾被认为是禁区的地方形成不可能行星的办法。他们正在设想行星如何从比以往想象的更动荡也更混乱的环境中形成，在其他行星或者飞过恒星的影响下，新生行星的轨道会向内迁移，或者形状会被拉伸成大椭圆形，又或者干脆被抛射出系统。不过，正在不断膨胀的行星数目也意味着任何一个新的模型都是暂时的。“
每一天你都会发现新的东西
，”德国马普天文研究所的天体物理学家托马斯·亨宁（Thomas Henning）说，“这是一个大淘金的时代。”
有关恒星和行星如何形成的经典模型可以追溯到18世纪，当时科学家们提出一个缓慢自转的尘埃和气体云会在自身的引力下坍缩。其中大部分的物质会形成一个球体，当其核心的密度和温度足够高时，它就能被点燃成为一颗恒星。引力和角动量会驱使存留下的物质在这颗原恒星周围形成一个扁平的盘。尘埃是把这个盘转变成一系列行星的关键。尘埃只占据了这个盘总质量的一小部分，由铁和其他固态的微小粒子组成。因为它们在转动的盘中螺旋运动，这些粒子偶尔会发生相互碰撞，进而通过电磁力粘在一起。经过数百万年的时间，尘埃会积聚成颗粒、卵石、巨砾并最终形成直径千米级的星子。
从这开始引力接管大局，它会使得星子间会相互吸引，清空尘埃和气体，直到行星成形。到这个时候，要么是被恒星吞并，要么是被星风吹走，位于这个盘内侧的大部分气体已经消散。鲜有气体意味着内行星在很大程度上将由岩石构成，外加一个较薄的大气层。
这一生长过程被称为
核心吸积
，它在这个盘的外侧进行的速度更快，在那里温度低到水可以结冰。在这一“雪线”之外的冰会对尘埃形成补充，使原行星能更快地固化形成。这个过程可以构建出一个质量为地球5～10倍的固体核心——它进行的速度之快，以致于在它完成时盘里还留存有大量的气体，于是这个核心就会吸引气体，形成一个浓厚的大气层，造就出一颗类似木星的气态巨行星。在2016年7月初抵达木星的美国宇航局朱诺探测器，其目标之一就是探测木星是否真的具有一个大质量的核心。
在这种情况下会自然地形成一个与我们太阳系相似的行星系统：较小且拥有薄大气的岩质行星位于恒星附近，类似木星的气态巨行星位于雪线之外，随着距离的增加，其他巨行星的尺度越来越小，因为它们在轨道上运动的速度较慢，所以需要更长的时间才能吸积到物质。所有行星都大致位于它们形成时所在的地点，在同一平面内做圆形轨道运动。漂亮而整洁。
但热类木星的发现表明这个理论中有些东西存在严重的问题。一颗轨道周期为数天的行星到其宿主恒星的距离非常近，这限制了在它形成的过程中所能吸积到的物质。在这样的一个位置上形成一颗气态巨行星是不可想象的。不可避免的结论是，
它必定先形成于更为遥远的地方，然后运动至此
。
超级地球的崛起。在热类木星率先被发现之后，开普勒空间望远镜随后发现同样占据密近轨道的超级地球是最普遍的太阳系外行星类型。地面望远镜现在已经能对类似HR 8799 b这样的远距离巨行星进行直接成像。
理论家们为此提出了2种可能的机制。第一种被称为
迁移
，需要在巨行星形成之后的盘中仍留存有大量的物质。这颗行星的引力会扰动盘，形成高密度区域，这反过来会对该行星上施加引力“拖拽”，使其逐渐朝向恒星移动。
这一理论得到了证据的支持。毗邻的行星往往会形成一种稳定的引力关系，被称为轨道共振。发生这种情况时，它们的轨道周期之间会呈整数比。例如，冥王星绕太阳2圈的时间等于海王星绕太阳3圈的时长。只是因为碰巧而形成这一构形的概率几乎为零，所以它们必定是迁移到这个位置上，然后被额外的稳定性锁住了。我们太阳系早期历史中的迁移过程还可以解释其他的古怪现象，包括火星的大小以及稀疏且混乱的小行星带。为了解释这些，理论家们需要制造出一场大迁徙，其中木星最初形成于较现在更靠近太阳的地方，然后向内几乎迁移到地球轨道，之后再向外移动到它当前的位置。
一些理论家发现这样的过程过于复杂。“
我相信奥卡姆剃刀
，”美国加州大学圣克鲁兹分校的天文学家格雷格·劳克林（Greg Laughlin）说。劳克林认为，行星更可能形成并停留在原地。他说，对于大型的行星来说，如果原行星盘中包含有较此前认为的更多得多的物质，那么它们就有可能形成于靠近恒星的地方。行星的一些迁移过程仍然会发生——足以解释共振，但劳克林说：“这只是最终的一个微调，并不是大型的（行星）输送带”。
但也有人认为，盘中根本就不会有足够的物质来形成类似飞马51b和其他距离甚至更近的行星。美国麻省理工学院的物理学家乔舒亚·温（Joshua Winn）直接表示：“它们不可能在原地形成。”有数目可观的行星具有大椭圆、高倾角甚至逆行的轨道也似乎暗示了某种搅乱行星的机制。
对于这些特异的行星，理论家需要的是一场
引力混战
，而不是一次温和的迁移。一个物质丰厚的盘可能会形成许多彼此靠近的行星，那里的引力角力可以将它们射向恒星，或者把它们甩入奇怪的轨道，甚至把它们抛射出该系统。另一个潜在的破坏者是一颗位于细长椭圆轨道上的伴星。在大多数时候，它距离太远而无法施加影响，但偶尔它会出现并扰乱行星。或者，如果宿主恒星是一个密集星团中的一员，那么邻近恒星可能会靠得太近而肆虐行星。“有很多办法可以用来破坏一个行星系统，”温说。
然而，“开普勒”的惊人发现，即
6
0%的类太阳恒星拥有一颗超级地球
，则需要一个全新的理论。大多数的超级地球，被认为主要由固态岩石和金属构成，外加适量的气体。它们的轨道比地球绕太阳的要小，并且一颗恒星常常会拥有数颗超级地球。例如，在开普勒-80系统中有4颗超级地球，它们的轨道周期都在9天之内。传统理论认为，雪线之内的核心吸积过程太慢无法形成这么大的行星。但另一方面，很少有超级地球处于轨道共振状态，这表明它们没有发生过迁移，是就地形成的。
科学家们正在就解决这个问题提出各种方法。一个想法是通过被称为卵石吸积的过程来加速生长。一个富含气体的盘会对卵石大小的物体施加较强的阻力。这通常会使得它们减速，使得它们向着恒星漂移。如果沿途经过一个星子，较慢的速度意味着它们可以更容易地捕获，加速吸积过程。但是，更快的吸积和富含气体的盘也有自己的问题：一旦超过了特定的规模之后，超级地球应该会吸积气体形成一个浓厚的大气层。“你该如何阻止它们变成气态巨行星呢？”美国普林斯顿高等研究院的天体物理学家罗曼·拉菲科夫（Roman Rafikov）问道。
