天文学家：银河系中有数万亿颗行星在流浪，它们的来历很奇怪

怎么会有那么多流浪行星？

行星地球是人类的家园，而太阳系是地球的家园。但宇宙中还存在一些失去了家园的行星。它们没有宿主恒星，没有属于自己的太阳，也不与任何其他行星有关。它们孤单地在黑暗寒冷的星际空间流浪。天文学家称它们为“孤立的行星质量天体（iPMOs）”，当然我们也可以称它们为“流浪行星”。

流浪行星之所以神秘，是因为它们极难被发现。但近年来随着技术的进步，天文学家已经发现了很多这样的行星。2021年，仅在天蝎座和蛇夫座，就有至少70颗流浪行星被发现。

流浪行星是个谜。理论上它们有两种可能的自然来源。一种是正常的行星系统：它们和大部分行星一样，在环绕年轻恒星的原行星盘中形成，然后由于某种原因，离开了这个行星系；另一种是由星际气体尘埃云直接坍缩而成：这种流浪行星从一出生开始就没有太阳。

流浪行星离开原生行星系的原因是多种多样的。理论上如果它们的宿主恒星是一对双星，那么复杂的引力互动会导致它们被踢出；也有可能是因为有一颗恒星从距离它们的原生行星系很近的地方掠过，或是因为它所在的行星系中存在行星之间的引力纠葛，而被永远地甩了出去。

近日伦敦玛丽女王大学物理和天文系的Gavin Coleman在《英国皇家天文学会月刊》上刊文称，他对源于环双星行星系的流浪行星特点进行了比以往更为深入的研究。

Coleman的研究对象是那些因为宿主为双星而被甩出原生行星系的流浪行星，并没有将宿主为单星而因行星间的引力互动而被甩出的行星考虑在内，因为这类情况的占比并不是很显著。

Coleman基于已知环双星TOI 1338的行星系建了一个模型，通过改动一系列参数，对不同条件下行星被甩出的概率进行了测算。这些参数包括原行星盘的初始质量、双星间距、外部环境强度和原行星盘的湍流级别等。这些参数对行星的形成起支配作用，而其他参数如恒星的合计质量、质量比和双星偏心率等则使用了单一值。

一次模拟的运行周期相当于现实中的1000万年，这么长的时间足以使太阳系初见雏形。模拟结果显示，双星系统的流浪行星产生效率总体而言非常高。每对双星平均会甩出2至7个质量大于1个地球的行星；但是质量相当于100个地球以上的巨行星甩出率很低，每个这样的行星系平均只产生0.6个流浪巨行星。

模拟还显示，大部分流浪行星是在环双星原行星盘演化过程的最初40万至400万年间被甩出的。在这个阶段里，环双星原行星盘都还“健在”而没有消散或被吹跑。

研究获得的最重要成果可能是流浪行星离开行星系时获得的额外速度。这个值大约是每秒8至16千米。这比人们在邻近产星区观测到的离散恒星飞行速度高很多。因此可以用以区分哪些流浪行星是被甩出来的，哪些是独立形成的。

研究人员还发现，来自双星的流浪行星飞行速度要比来自单星的流浪行星飞行速度高大约3倍。

原行星盘的湍流级别对行星的甩出也有影响。湍流越弱，被甩出的行星越多，被甩出的行星质量相对也越小。

这样的研究为天文学家提供了一种观察流浪行星族群和鉴别它们来源的方法——尽管其结果是不全面的。

事实上对于双星系中的行星演化人们所知依然不多，行星演化理论也一直处于修订之中。天文学家其实并不确知宇宙中究竟有多少流浪行星，粗略估计银河系中有大约数万亿。

参考
On the properties of free floating planets originating in circumbinary planetary systems
https://arxiv.org/abs/2403.18481