广义相对论解释了为什么双星系统中很少出现行星

宇宙中超过一半的恒星以双星形式存在，但围绕它们运行的行星却异常稀少。在已确认的6000多颗系外行星中，仅有14颗被观测到围绕双星运行。这个令人困惑的统计差异现在有了答案：罪魁祸首是爱因斯坦的广义相对论。

加州大学伯克利分校和贝鲁特美国大学的研究团队在《天体物理学杂志快报》上发表的最新研究揭示，广义相对论效应会扰乱紧密双星系统周围十颗行星中的八颗，其中75%会在扰乱过程中被摧毁或驱逐。这项发现不仅解释了环双星行星的稀缺性，也展示了爱因斯坦理论在塑造宇宙结构方面的深远影响。

NASA的开普勒太空望远镜和凌日系外行星巡天卫星发现了大约3000颗食双星系统。按照单星周围10%的行星检出率推算，应该能观测到大约300颗环双星行星。然而实际结果只有47颗候选天体，其中仅14颗得到确认。

共振引发的轨道灾难

本文将逐步解释为什么围绕双星运行的行星最终会进入不稳定轨道并从系统中消失。图片来源：Mohammad Farhat/加州大学伯克利分校

双星系统的运作方式比单星复杂得多。两颗质量相近但不完全相同的恒星以椭圆轨道相互环绕，它们的引力作用会使围绕它们运行的行星轨道发生进动，就像陀螺的轴在旋转时会摇摆一样。双星自身的轨道也会进动，但这主要是由广义相对论效应驱动的。

这里的关键在于时间尺度的演化。双星系统在形成之初可能相距较远，但在数千万年的时间里，它们会通过与周围气体的相互作用逐渐靠近。彼此之间产生的潮汐力会在数十亿年内进一步缩小轨道，当两颗恒星的轨道周期缩短到一周左右时，广义相对论进动变得越来越重要。

随着双星越来越接近，它们的进动速率增加，但对行星轨道的扰动却在减弱，导致行星的进动速率降低。当两者的进动速率相等时，就会发生共振。这是一个灾难性的时刻：行星的轨道开始显著拉长，变得异常椭圆，在远日点距离双星更远，而在近日点则危险地靠近。

论文第一作者、加州大学伯克利分校米勒博士后研究员穆罕默德·法哈特解释说，有两种可能的结局。要么行星非常非常接近双星系统，遭受潮汐力扰动或被其中一颗恒星吞噬，要么其轨道受到显著扰动，最终被抛出系统。无论哪种情况，行星都会消失。

已确认的14颗环双星行星中，没有一颗围绕轨道周期少于七天的紧密双星运行。更引人注目的是，其中12颗位于理论预测的不稳定区域边缘之外，它们显然是从更远的地方迁移过来的。法哈特指出，在不稳定带边缘形成行星，就像试图在飓风中将雪花粘在一起。

这是艺术家描绘的行星围绕双星运行的示意图。图中两颗恒星的质量差异巨大，它们相互环绕运行时，会以某种方式牵引行星，使其轨道缓慢旋转或进动。根据动力学模型，广义相对论效应也会导致双星系统的轨道发生进动。随着时间的推移，进动速率会发生变化，如果两者同步，行星的轨道就会变得异常偏心。这会导致行星要么被驱逐出系统，要么被其中一颗恒星吞噬。图片来源：NASA戈达德太空飞行中心

水星轨道的宇宙学延伸

广义相对论对行星轨道的影响并非新鲜概念。1915年，爱因斯坦提出广义相对论将引力解释为质量对时空结构的弯曲。水星轨道进动幅度略高于牛顿引力理论的预测，这成为首个证实广义相对论的观测证据。

现在，同样的效应在双星系统中发挥着更为戏剧性的作用。论文合著者、贝鲁特美国大学物理学教授吉哈德·图马指出，有趣的是，在爱因斯坦的计算近一个世纪后，计算机模拟显示，相对论效应或许能够阻止水星混乱地扩散出太阳系。而在双星系统中，我们看到类似的效应正在扰乱行星系统。广义相对论在某些方面稳定了系统，而在另一些方面则扰乱了它们。

研究团队利用数学和计算机模型发现，这个过程发生得非常迅速。在恒星数十亿年的生命周期中，行星从稳定轨道进入共振再被清除仅需几千万年。这解释了为什么围绕紧密双星运行的行星如此罕见。

开普勒望远镜发现的食双星大多是紧密双星，这些正是最有可能探测到凌日行星的系统。但数据显示，轨道周期七天或更短的双星系统周围形成了一片绝对的沙漠。法哈特强调，这些紧密双星的形成过程本身就会自然地清除行星，不需要附近恒星或其他外部机制的干扰。

图中黑色圆圈代表一颗行星，它围绕一对恒星运行——这是一个所谓的双星系统。图片来源：NASA/戈达德太空飞行中心

这并不意味着双星系统中完全没有行星。但那些能够经受住广义相对论扰动的幸存者，距离双星都太远，以至于无法用目前的凌日探测技术发现它们。图马表示，宇宙中肯定存在这些行星，只是用目前的仪器很难探测到。

从塔图因到脉冲双星

研究团队正在将这一理论框架应用到更广泛的天体物理场景中。他们正在研究广义相对论效应如何影响围绕超大质量黑洞双星的星团，以及是否能部分解释双脉冲星周围行星稀少的现象。双脉冲星是两颗相互环绕并发出精确定时无线电脉冲的旋转中子星，理论上也应该能够拥有行星。

这项工作揭示了一个深刻的洞察：即使在人们认为牛顿万有引力定律可以解释一切的简单系统中，爱因斯坦革命性的引力理论也发挥着决定性作用。从太阳系内水星的稳定性到遥远双星系统中行星的消失，广义相对论塑造着宇宙的建筑蓝图。

对于科幻迷来说，这意味着《星球大战》中的塔图因星球在现实宇宙中确实非常罕见。但它们并非完全不存在，只是藏在我们现有探测技术的视野之外，等待下一代望远镜去发现。