行星科学

一团尘埃和气体绕着太阳不断旋转并形成旋涡，接着地球诞生了——至少天体物理学家们长期以来都是这样认为的。但是，最近不断有太阳系以外的行星——它们被形象地称为太阳系外行星（以下均简称系外行星）——被发现，这让科学家们开始怀疑：并非所有这类天体的形成方式与地球及地球的邻居们相同。这种观点提出了这样一种可能性，即宇宙中实际的系外行星数量比之前预想的要大得多。

1993年，宾夕法尼亚州立大学的研究人员首次发现了一颗系外行星。因为它围绕旋转着的是一颗脉冲星^[2]——一类快速旋转、密度异乎寻常之大且不发光的中子星，这一发现在当时被认为非常奇特。两年以后，瑞士日内瓦天文台的米歇尔·麦耶（Michel Mayor）和迪迪尔·奎洛兹（Didier Queloz）观测到了一颗气态巨星（gaseous giant）——同木星、天王星和海王星等同类型的行星——围绕一颗类太阳恒星（sun-like star）运转，那颗恒星被称为飞马座51 ^[3]。从外观上看，这颗系外行星也不同寻常，因为它的运行轨道同主星（host star）的距离仅为日地距离^[4]的二十分之一。

此后，天文学家们先后又发现了200多颗系外行星，而且在这些行星中，上述奇观也不再新鲜：就轨道的位置或其他方面来看，大多数行星同太阳系的行星存在根本的差异。况且，通过观察这些系外行星的差异，发现这些行星成因不同的证据，正是天文学家们所期待的。

天体物理学家们普遍认同：迄今为止所发现的行星，无论是如同地球般小巧、岩性亦或类似大多数系外行星般巨大、气态，都是漂浮在新生恒星周围、由尘埃和气体组成的“盘”构成的。研究人员已经在系外行星的主星周围观察到了碎屑盘（debris discs）^[5]，但是直到最近以前，他们并不确定这些碎屑盘同行星是否处在同一轨道上。现在这一问题已经得到了确认。在弗里兹·本尼迪特（Fritz Benedict）和芭芭拉·麦克阿瑟（Barbara McArthur）带领下，得克萨斯大学（奥斯汀）的天文学家们探测了一颗系外行星，这是已知的系外行星中离地球最近的一颗。这是一颗气态巨星，其运行轨道围绕的是一颗类太阳恒星——天苑四^[6]，距离猎户座（constellation Eridanus）10.5光年。他们发现这颗行星轨道同地球的倾角是30度，而恒星的碎屑盘相对地球倾斜的角度同样是30度。研究结果将刊登在11月份的《美国天文学杂志》（the Astronomical Journal）上。到目前为止，一切都如预想的那样。

尘里来，尘里去

但是，针对气态巨星怎样从碎屑盘中形成这个问题，大家争论不休。大家一致公认的是：一旦固态物质的质量达到某个临界值、具有足够的引力吸引轨道上的大部分气体，行星便会以此为核心逐渐形成。但这一过程必须发生在距离母星（parent star）的某个位置，那里的温度较低，有足够多的物质以固态而非气态形式存在。对于类似太阳的恒星来说，所谓的冰线（ice line）——大于这个距离，上述的温度条件才能得到满足——往往三倍于日地距离。

至今所发现的系外行星中，大多行星同主星的距离小于冰线。这些发现有力地支持了另一种假设：迄今所发现的气态巨星是在其他地方形成的，并且朝现行轨道绕行的恒星螺旋状前进。如果原行星盘（protoplanetary disc）^[7]内的物质会逐渐消耗掉这些行星的角动量，或者，盘内的尘埃和气体朝主星作螺旋状运动进而带动整个行星，那么这种情况就可能发生。

但这并不是备选假设的唯一版本。另一种说法认为大小不一但质量相同的原行星盘就可能形成各自不同的系外行星。较大的盘——类似于认为形成太阳系的原行星盘——可能会产生距离主星稍远的气态巨星，而较小的盘可能会形成距离主星更近的天体。

不幸的是，现有的证据并不足以令天文学家们判断这些假设中孰是孰非（如果其中确有正确的话）。例如，本月早些时候，哈勃太空望远镜搜索到了16颗紧密围绕银河中心附近的恒星带旋转的系外行星（这一发现令人振奋，因为它意味着系外行星相当普遍，而且银河系中的气态巨星可能有60亿颗之多。）。但是，因为这些主星的亮度相对偏淡，所以它们可能没有足够的高温令系外行星的主体结构气化。否则，这些行星就可能是外来的。

此外，人们还观察到了一些更为离奇的现象，这可能会彻底颠覆各种行星诞生理论。一个月前，哈佛－史密森天体物理中心（Harvard-Smithsonian Centre for Astrophysics）的天文学家宣称他们发现一颗异乎寻常的系外行星。这个编号为HAT-P-1的天体是迄今发现的最大气态巨星。该行星围绕蝎虎座（constellation Lacerta）一对恒星（双星系统）中的其中一颗运行，距离地球450光年。这颗行星每隔几天就能绕主星公转一周，且与主星之间的距离仅为日地距离的5%。它的密度小得出奇——同软木塞相当。此外，HAT-P-1是第二颗在体积上大于而在密度上小于理论预测值的行星。对于这颗行星的成因，天体物理学家们都迷惑不解，；一篇描述此项发现的论文已经投到了《天体物理学杂志》（Astrophysical Journal）。

这次发现是先前一项发现的继续。去年，加州理工大学的Maciej Konacki发现了一颗围绕双星系统中的一颗恒星旋转的气态巨星^[8]。双星系统本应在短时间内清除原行星盘，因此，这颗行星的确切成因还是一个谜。

从双星和三星系统中存在行星的发现中产生了这样一种观点，即银河系中包容的天体远比先前所认为的要多。银河中超过六成的恒星在其运行轨道附近存在伴星。由于引入双星系统会增加问题的复杂性，大多数搜索系外行星的研究都将这类系统排除在外。但是，考虑到通过许多不同的方式能够形成完整的系外行星，天体物理学家们相信若加以关注那些过去一直被忽略的大量双星系统中，可能会在银河系中发现新行星到处都是。

就探索系外行星的普遍性而言——尤其是岩状类地天体——这是在几年内即将送入太空的两架空间望远镜的使命。若一切就绪，一艘由欧洲航天局（ESA）共同研制的称为COROT的法国太空飞船将在12月发射升空。这艘太空船是用以捕捉体积在地球两倍以上的系外行星的踪影。美国航天部门——国家航空航天局（NASA）计划在2008年10月将一架功能更为强劲、称为“开普勒”^[9]的“系外行星捕捉者”送入太空。这架望远镜能够侦测到体积比地球还小的系外行星。

各天文台也会不断地观测银河系的各个区域，目的就是当系外行星运行到主星和地球之间时发现它们^[10]。利用这些空间望远镜观察的天文学家们尤其对恒星周围所谓“适居带（habitable zone）”里的类地天体感兴趣。在适居带内，适宜的温度刚好让水保持液态。他们希望能够找到数百颗这样的系外行星，借此，进一步了解尘埃和残骸究竟如何形成行星，甚至生命本身。

注释：

[1] 题目When a world is born改自一首著名的歌曲名：When a child is born（当圣婴降生时）

[2] 脉冲星是大质量恒星在演化末期而形成的中子星，它能发射出的有规律的周期性电磁辐射脉冲。

[3] 飞马座51（51 Pegasi）是位于飞马座的一颗类似太阳的恒星，距离太阳系约47.9光年。1995年被发现有行星围绕该恒星公转，是继太阳系外，首个被证实有行星的恒星。飞马座行星的发现引起多个争论，因为飞马座51与行星的近距离并不合乎已知的行星诞生理论，并引发了轨道改变的讨论。有说法指该行星可能处于毁灭的阶段。

[4] 日地距离是149,597,870千米

[5] 碎屑盘（debris discs）是指围绕在类太阳恒星附近的行星碎屑带，主要是由类似小行星岩性天体碰撞产生的尘埃扩散后形成

[6] 天苑四 (Epsilon Eridani)是很靠近猎户座腰帶的一颗恒星，和太阳很像的恒星，距离地球仅10光年

[7] 原行星盘（protoplanetary disc）是指围绕新生恒星的气体和尘埃组成的盘，盘中粒子间的碰撞最终产生行星。

[8] 这颗行星的编号为HD 209458b，它的体积较理论计算值大了将近20％

[9] “开普勒”是一个直径一米的望远镜。当行星从恒星表面掠过的时候，对于观察者，恒星的亮度会稍微降低。“开普勒”的工作就是辨别出这样的亮度降低现象，尤其是类似地球这样的行星造成的亮度降低。

[10] 这一原理被称为“多普勒摆动”：这种摆动意味着恒星附近有一个天体，其引力影响着恒星的运动。在很偶然的情况下，恒星－行星－地球三者成一直线，行星的引起的“日食”使恒星光芒在地面观察者看起来暂时减弱，由恒星亮度变化就可发现行星的存在。前文提到的飞马座51的行星也是通过多普勒侦测法侦测到的。

进化学

对物种起源的新理解表明生物学家们之间的分歧比他们所想的要小 

许多物理学家都埋头于“万有理论”的搜寻中。而生物学家们正在一旁沾沾自喜，认为已经发现了一个生物学的“万有理论”。有机体不仅要存活足够的时间繁衍后代，而且要具备足够的魅力吸引异性以求将自己的基因传给下一代。那些无法达到上述要求的便会走入进化上的死胡同。但各种详细的解释——你如何用基本的进化原理解释生物学中各种大尺度的格局——更是争议连连。倡导不同理论的科学阵营故此形成。各理论的倡导人都口若悬河般地鼓吹自己的理论；却很少有人接受那些反对者的理论同自己的并不总是水火不容这一事实。

自上世纪70年代初开始，两大最宏观的生命格局——物种在空间上和时间上如何配置——将上述争论的话题简单地分割成了两大阵营。一些人将争论的焦点放在空间的不一致性上，即为什么热带地区比起其他地区具有更丰富的物种。对这些人来说，热带地区要么是物种产生频率更高的地方（生物多样性的源），要么是物种不易消亡的地方（生物多样性的汇）。相比之下，那些关注时间格局的生物学家们孜孜以求、不断争论的是：新物种究竟是以缓和渐进的方式形成还是说生命史实际上是一系列没有来由的周期性大爆发呢？ 

两篇刚刚刊登于《科学》杂志的文章有助于解决上述各种争论，而且即便文中的发现不能调和各种争论，它们也无疑具有供他人参考学习的价值。“空间生物学家”已经开始研究时间因素，即从1100万年前至今的化石记录；而与此同时，“时间生物学家”也开始关注现在并发现了现存物种在基因水平上存在快速进化阶段。

生物学的时空

空间生物学家的优势在于他们一致认可试图去解释的格局。生物界中，几乎所有研究过的类群——无论是真菌、植物、脊椎动物还是无脊椎动物，也无论生活在森林、河流或海洋中——似乎越靠近赤道物种数就越多。

为了防止取样的偏颇，他们将分析的对象限制在一类化石记录保存完备动物——双壳类软体动物。这样，他们便可以沿着地质学的时间轴逐个研究431支海洋双壳类的“世系（lineages）”。这些世系中绝大多数出现在热带地区，接着向热带外区域扩散分布。换句话说，热带地区确实起着生物多样性之源的作用。

实际上，真实的格局可能比捷布朗斯基博士根据数据所报导的更显著。原因在于基本上这些古生物本身就是温带物种，而且绝大多数出现在北半球。这意味着同热带区域相比，这一区域岩石的样本数过多。而且，热带区域的岩石往往要承受更为严重的风化作用，很少有类似岩石露头的情况发生。这使得样本采集难上加难，即便你能耐着性子待在最初的地点观察。

上述两种因素都表明某些世系虽最早出现在热带外区域的化石记录上，实际上却有可能起源于赤道附近。那么，源假说似乎是可靠的。但是，这并不一定表示汇假说是错误的——因为热带地区产生多样性的同时似乎也在不断保存多样性。尽管捷布朗斯基博士所研究的双壳类世系随着波涛从赤道开始蔓延扩散，但它们并没有随着波涛的消亡而一同绝灭。它们非但不是被迫离开热带地区，相反，它们主动向两极扩散，并在那儿发展壮大。

同样的问题似乎也出现在了时间生物学领域。争论的双方分别是渐变论者和突变论者（认为地质记录中所见的化石类型骤变是一种真实的现象，而不是岩石的不规则排列所造成的结果）。几年前，争论愈发具有针对性，变为匍匐式进化同跳跃式进化之争。但是，正如捷布朗斯基博士的研究表明将源、汇模型对立起来是错误的一样，一篇出自时间生物学领域里渐变论阵营中某个成员的论文同样地支持某些跳跃式进化的特性。

跳跃与匍匐同在

英格兰雷丁大学的马克·佩格尔（Mark Pagel）博士和他的同事论证了间断平衡论（punctuated equilibria）^[1]（进化大爆发理论的正式称谓）能预测出新物种形成的速度同有机体近期的遗传学改变速度之间的关系。一支在此后产生了大量物种的世系表现的遗传学改变将比多于那些产生较少物种的世系。与此相对应，认为进化上的改变是渐进式的观点认为突变是随着时间的流逝而不断积累的，这一过程同一支世系衍生出新物种的多少无关。

佩格尔博士用这种方式研究了122个科的树种。他发现有大约三分之一的树种其DNA的改变同衍生出的物种数呈现正相关性。他还发现大约22%的遗传变化要通过间断式进化来解释，其余的则通过随时间渐进式进化来解释。这意味着先不考虑其他因素，若生物学家仅凭遗传变化具有规律性这一假设推算两个世系分化的时间，那么这种推算出来的时间可能就已经错了。

捷布朗斯基博士和佩格尔博士都通过对数据的严格分析从而在一定程度上调和了两种对立的观点。二人均提出了超越各自领域之外的问题。为什么在某些世系中间断式进化的影响更大？（植物和真菌类所受的影响大于动物）各世系究竟怎样扩散到气候更寒冷的高纬度地区呢？

但是，一些老问题的解释依旧犹如不解之谜般莫衷一是。例如，捷布朗斯基博士的研究未能解答究竟是因为气候更加温和导致更高的突变率，还是因为种间相互作用更强加速了进化上的改变，从而使得热带地区成为物种的发源地。从折中的角度出发，似乎没有理由认为这两种观点不能有丝毫的共同之处。 

注释：

[1] 间断平衡论是从古生物学研究中提出的一个进化学说。认为新种只能通过线系分支产生，只能以跳跃的方式快速形成；新种一旦形成就处于保守或进化停滞状态，直到下一次物种形成事件发生之前，表型上都不会有明显变化；进化是跳跃与停滞相间，不存在匀速、平滑、渐变的进化。