克里斯蒂·蒂尔用研钵和研杵将遥远星球的成分混合在一起。在位于坦佩的亚利桑那州立大学的地质实验室中，蒂尔仔细地测量出粉末状矿物，将它们放入金属胶囊中，然后在高压炉中烘烤，该炉的压力可达地球大气压的 35,000 倍，温度可达 2,000 摄氏度。
在这个星际测试厨房中，蒂尔和同事正在研究太阳系外的行星可能会进入什么物质。
“我们将高纯度二氧化硅、铁和镁粉末以正确的比例混合在一起，形成我们想要研究的成分，”蒂尔说。她从可能类似于一颗与地球有很大不同的岩石行星的构成开始。 “我们确实做了一个食谱。”
科学家们对于如何构建我们自己的太阳系有一些好主意。一种方法：混合氢气和氦气，用氧气和碳充分调味，并轻轻撒上镁、铁和硅。凝结并旋转，直到云形成一颗被圆盘包围的恒星。让我们休息大约一千万年，直到出现几个大块。大约六亿年后，轻轻摇晃。
但这只是太阳系食谱中的一个食谱。许多绕其他恒星运行的行星与在地球附近看到的行星截然不同。随着已知系外行星数量的不断攀升——3,717 已确认截至 4 月 12 日，科学家们正在创造新的食谱。
其中七颗系外行星位于 TRAPPIST-1 系统中，这是天文学家迄今为止发现的最令人兴奋的行星家族之一。至少三颗 TRAPPIST-1 行星的表面可能存在液态水，(SN：2017 年 12 月 23 日，第 12 页25）。
然而那些行星不应该存在。马里兰州格林贝尔特美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体物理学家埃莉莎·金塔纳表示，天文学家计算出，这颗小恒星的前行星盘中不应含有足够的岩石物质来形成一颗地球大小的球体。然而，该盘却产生了七个。
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TRAPPIST-1 只是一长串规则破坏者中最新的一个。其他系统拥有我们太阳系中未曾见过的奇怪特征：超级地球、迷你海王星、热木星等等。许多系外行星在我们发现它们的地方必定有着混乱的开端。
这些奇怪的东西提出了关于太阳系如何形成的令人兴奋的问题。科学家们想知道一颗行星的最终命运在多大程度上取决于它的母星，哪些成分对于行星的形成至关重要，哪些只是行星蛋糕上的糖霜。
NASA 的凌日系外行星勘测卫星（TESS），应该带来一些答案。 TESS 预计在接下来的两年里。这群人将帮助阐明哪些行星过程是最常见的，并将帮助科学家将注意力集中在最好的行星上，以检查是否存在生命迹象。
除了最基本的必需品之外
所有太阳系配方都有一些基本要素。恒星及其行星是由同一团气体和尘埃云形成的。云中最密集的区域塌陷形成恒星，剩余的物质扩散到旋转的圆盘中，其中的一部分最终会合并成行星。这颗恒星与其后代之间的相似性告诉蒂尔和其他科学家应该将什么扔进行星立式搅拌机中。
加利福尼亚州帕萨迪纳卡内基天文台的天文学家约翰娜·特斯克说：“如果你知道恒星的成分，你就能知道行星的成分。”恒星的成分通过恒星发射和吸收的光的波长来揭示。
行星诞生的时间也会影响它的最终构成。像木星这样的气态巨行星首先需要一个大约是地球质量 10 倍的岩石核心，然后才能开始吞噬气体。这么大的增长可能发生在圆盘气体消失之前，即恒星形成后约一千万年。像地球这样的小型岩石行星可能是后来形成的。
最后，位置很重要。靠近炽热恒星的大部分元素都是气体，这对于从头开始建造行星没有帮助。在圆盘向外边缘冷却的地方，更多的元素冻结成固体晶体或凝结成尘埃颗粒。水结冰的边界称为雪线。科学家们认为，富含水的行星要么形成于其恒星雪线之外，那里有丰富的水，要么(SN：2015 年 5 月 16 日，第 14 页8）。巨行星也被认为是在雪线之外形成的，那里有更多的可用物质。
但特斯克说，磁盘中的物质可能不会停留在它开始的地方。 “有大量的物质传输，无论是朝向恒星还是远离恒星，”她说。 “这些物质最终的去向将影响它是否进入行星以及形成什么类型的行星。”圆盘中的混合和湍流程度可能会影响天文学家转向食谱的哪一页：这个系统正在制造一颗岩石类地行星、一颗相对较小但气态的海王星还是一颗巨大的木星？
出生地
在恒星周围的圆盘中，巨大的行星在“雪线”之外形成，在那里水结冰并且有更多的固体可用。近来的湍流会搅乱一切。
资料来源：T. Henning 和 D. Semenov/化学评论2013年
有些人喜欢热的
就像滚动的圆盘材料一样，一颗成熟的行星也可以远离它形成的地方。
考虑 ”跳曲“（或热海王星），一类新的行星于 12 月首次命名。美国国家科学院院刊。 Hoptunes 的大小在地球的两到六倍之间（以地球的半径来衡量），并且靠近恒星，绕轨道运行的时间不到 10 天。如此接近，圆盘中不应该有足够的岩石物质来形成如此大的行星。恒星的热量应该意味着没有固体，只有气体。
Hoptunes 具有某些共同特征——以及未解答的问题——是 20 世纪 90 年代中期发现的第一类系外行星。
宾夕法尼亚州立大学的天文学家丽贝卡·道森（Rebekah Dawson）说道：“因为我们对热木星了解得太久了，所以有些人认为它们已经是老古董了。”关于热木星的评论一月份发布在 arXiv.org。 “但对于他们如何如此接近他们的明星，我们仍然没有达成共识。”
自从第一个已知的热木星以来，51 飞马b， 曾是，对于这种接近性出现了两种解释。在恒星雪线之外形成的木星可以通过以一种引力 do-si-do 的方式与盘材料本身交换轨道位置，顺利地迁移到盘中。或与其他行星的相互作用或进入一个极其椭圆甚至向后的轨道（SN在线：2013年11月1日）。随着时间的推移，恒星的引力会从轨道上窃取能量，将其缩小成一个紧密的圆圈。道森认为这两个过程都可能发生。
热木星在恒星周围更常见含有许多比氢和氦重的元素加州理工学院的天文学家埃里克·佩蒂古拉 (Erik Petigura) 及其同事在 2 月份的《自然》杂志上报道称，天文学家将其称为金属。天文杂志。高金属恒星可能会形成更多的行星，因为它们的盘有更多的固体可供使用。一旦木星大小的行星形成，引力台球游戏就可以将其送入偏心轨道，并将更小的世界送入太空。这也符合数据；热木星往往缺乏伴星世界。
Hoptunes遵循相同的模式：它们更喜欢富含金属的恒星，并且几乎没有兄弟行星。但Hoptunes可能是在恒星生命后期才到达其热轨道的。接近一颗年轻恒星时，跳跃曲可能会冒着其大气层被剥离的风险。 “他们有点处于危险地带，”道森说。事实上，由于 Hoptunes 确实有大气层，因此它们可能后来被撞到椭圆形的、最终接近的轨道上。
热孤独规则的一个显着例外是WASP-47b，一颗热木星，附近有两个大小介于地球和海王星之间的兄弟姐妹。这颗行星是道森认为有不止一种方法可以烹调热木星的原因之一。
岩石或天然气
热木星是如此之大，以至于天文学家认为这些系外行星拥有厚厚的大气层。但很难判断一颗较小的行星是像海王星一样是气态的，还是像地球一样是岩石状的。
为了初步猜测行星的组成，天文学家需要知道行星的大小和质量。这些数字加在一起就得出了行星的密度，从而可以了解行星有多少部分像岩石一样是固态的，或者像大气层一样是弥散的。
这最流行的行星探测策略每个都衡量这些因素之一。开普勒太空望远镜使用的凌日法是在行星从前方经过时观察恒星眨眼的情况。比较凌日之前和期间恒星的光线可以揭示行星的大小。径向速度法与地面望远镜一起使用，观察恒星因行星重力而摆动，从而揭示行星的质量。
开普勒观测到的大多数恒星距离太远且太暗，无法直接、准确地测量行星质量。但天文学家已经推断出了岩石行星的大小界限。去年六月，注意到令人惊讶地缺乏 1.5 至 2 倍地球大小的行星，并认为那些 1.5 倍地球半径或更小的行星可能是岩石行星；地球半径的 2 到 3.5 倍可能是气体（SN 在线：2017 年 6 月 19 日）。
还有数十颗行星的质量已被间接推断出来，其中大部分位于多行星系统中，天文学家可以在这些系统中观察行星如何相互牵引。据天文学家所知，超级地球（质量为地球质量一到十倍左右的行星）的成分多种多样。
开普勒任务即将结束，因为航天器的燃料即将耗尽。 TESS 将接续开普勒停下来的地方。新的行星搜寻太空望远镜将彻底改变超级地球密度的研究。它将扫描 85% 的天空，寻找附近明亮的恒星，选出最好的行星进行后续研究。作为其主要任务的一部分，TESS 将找到至少 50 颗比海王星小的行星，这些行星也可以精确测量它们的质量。 “拥有质量......将帮助我们理解构图，”TESS 团队成员 Quintana 说。 “我们可以看到：行星从岩石变成气态是否存在一条真正的过渡线？或者它完全是随机的？还是取决于恒星？”
星力
佩蒂古拉最近的研究表明，事实上，所有行星的命运都取决于恒星。在《天文学杂志》二月份的一份报告中，他和同事测量了开普勒视野中有 1,305 颗行星恒星。
研究人员了解到，大型行星和近距离行星（轨道周期为 10 天或更短）在富含金属的恒星周围更为常见。但研究小组惊讶地发现，小行星和远离恒星运行的行星出现在各种成分的恒星周围。 “它们在任何地方都能有效地形成，”佩蒂古拉说。
这可能意味着富含金属的恒星拥有更靠近恒星的圆盘。如果恒星附近有足够的物质，炽热的超级地球可能会在它们当前旋转的地方形成。热超级地球的存在甚至可能表明热木星毕竟可以在恒星附近形成。超级地球或迷你海王星可能代表曾经是热木星的核心，在圆盘消散之前没有完全聚集足够的气体，或其大气层(SN在线：2017年10月31日）。
奇怪的水
一些科学家正在寻找恒星来揭示行星内部的情况。欢迎您的帮助，因为密度是了解行星构成的粗略衡量标准。具有相同质量和半径的行星可能具有截然不同的成分和性质——看看地狱般的金星和宜居的地球。
以 TRAPPIST-1 为例，距离我们39光年。天文学家急于检查至少三颗行星是否存在生命迹象（SN：2017 年 12 月 23 日，第 12 页25）。但亚利桑那州立大学的外星地质学家凯曼·温特博恩 (Cayman Unterborn) 表示，这些行星可能被水淹没，以至于很难发现任何生命迹象。如此多的水会改变行星的化学成分，从而很难区分生命和非生命。根据行星的半径（通过它们的凌日测量）和质量（通过它们相互之间的引力影响测量），Unterborn 和同事，该团队于 3 月 19 日报道自然天文学。
Unterborn 说，TRAPPIST-1 行星的密度相对于它们的大小而言较低，这表明它们的质量大多是轻质物质，如水冰。 TRAPPIST-1b，最内层的行星，按质量计算似乎有 15% 是水（地球的水含量不到 0.1%）。第五颗行星 TRAPPIST-1f 的质量可能至少有一半是水。如果地球形成时就已经含有这些水，那么它的水量将相当于 1000 个地球海洋的水量。这么多的水会压缩成地球上正常压力下找不到的奇异冰相。 “水的含量如此之多，以至于这颗行星的化学结晶过程是我们无法想象的，”温特伯恩说。
调整大小
测量行星的质量和半径可以让天文学家了解行星的构成。该图将 TRAPPIST-1 行星（紫色）与地球、金星、一颗名为 K2-229b 的系外行星和其他几个世界进行了比较。
资料来源：A. Santerne 等人/《自然天文学》2018
但有一个小故障。 Unterborn 的分析基于当时公布的 TRAPPIST-1 世界最准确的质量。但在 2 月 5 日，他的论文被接受的同一天自然天文学，由瑞士伯尔尼大学天文学家西蒙·格林领导的研究小组在 arXiv.org。这些质量构成了最潮湿的行星看起来只是潮湿。
温特伯恩说，显然，密度并不是命运。根据行星的质量和半径来研究行星有其局限性。
看得更深入
下一步，Unterborn 和同事发表了一系列论文，提出恒星成分如何判断一组行星具有板块构造的可能性，或者行星大气中可能含有多少氧气。更好的地质模型最终可能有助于揭示单个行星是否适合居住。
但温特博恩对于将恒星的成分转化为任何一颗行星持谨慎态度——现有的地球化学模型还不够好。最近的 K2-229b 案例清楚地表明了这一点。法国马赛天体物理实验室的天文学家 Alexandre Santerne 及其同事最近试图了解一颗恒星的成分是否可以描述其新发现的系外行星 K2-229b 的内部。该团队于 3 月 26 日在网上报道自然天文学那个星球大小与地球相似，但结构更像水星：按质量计 70% 为金属核，30% 为硅酸盐地幔。 （研究人员为这颗行星起了绰号“弗雷迪”，取自桑特恩皇后乐队主唱弗雷迪·墨丘利的名字）在推特上写道.) 这种构图并不是他们所期望的仅来自于明星的构图。
来自星星的提示
天文学家认为，根据其质量和半径，一颗名为 K2-229b 的系外行星的大小与地球相当，但其成分与水星更相似。
资料来源：A. Santerne等人/自然天文学2018年
地质模型需要快速跟上。在 TESS 找到了进行后续观测的最佳天体后，詹姆斯·韦伯太空望远镜将于 2020 年发射，对于生命迹象（SN：2016 年 4 月 30 日，第 14 页32）。安特伯恩说，为了使这一策略发挥作用，科学家需要更好地了解系外行星食谱。
克里斯蒂·蒂尔的压力测试厨房可能会有所帮助。蒂尔主要是一名火山学家，研究喷发到地球表面的岩浆如何揭示地球内部的状况。 “我们的目标是开始为系外行星做这件事，”她说。
蒂尔和同事正在重做一些 50 年前针对地球进行但尚未针对系外行星进行的基础实验。实验预测哪些元素可以进入行星的地幔和核心，哪些元素将形成固体地壳。 （蒂尔和研究生米切尔·菲利普斯于 12 月在新奥尔良举行的美国地球物理联盟会议上展示了早期结果建议乘以太阳的镁硅比到 1.33 仍然烘烤着一颗岩石行星，但地壳的味道与地球不同。）
蒂尔使用三个活塞缸对合成系外行星进行 24 小时的挤压和烧焦，以观察在不同的压力和温度下会形成和熔化哪些矿物。研究结果可能有助于回答诸如行星表面会喷发什么样的熔岩、地壳由什么构成以及行星大气层中最终可能出现什么气体等问题。
现在还为时过早，但蒂尔的配方测试可能意味着科学家们不必等待几十年才能用望远镜足够近距离地观察一颗系外行星来判断它到底有多像地球。温特伯恩说，通过新的烹饪书章节，“我们可以找出哪些恒星是建造地球的最佳地点。”
