天文学家重新构想行星的形成

天文学家模糊地推断，小行星的出现是因为被气体推动的尘埃颗粒会漂移成堆，就像风塑造沙丘一样。经典模型的小行星随机散布在整个太阳星云中，其大小的统计分布遵循物理学家所说的幂律，这意味着小行星比大行星多。 “就在几年前，每个人都假设小行星在整个星云中以幂律分布，”莫比德利说，“但现在我们知道事实并非如此。”

这种变化来自智利阿塔卡马沙漠中的几条银色抛物线。阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列 (ALMA) 旨在检测来自凉爽的毫米大小物体的光，例如新生恒星周围的尘埃颗粒。从 2013 年开始，ALMA 拍摄了精美雕刻的婴儿恒星系统的令人惊叹的图像，推定的行星嵌入新恒星周围的朦胧圆盘中。

天文学家之前将这些圆盘想象成光滑的光晕，随着它们向外延伸，远离恒星，它们变得更加分散。但 ALMA 显示的圆盘上有深而暗的缝隙，就像土星环一样；其他有弧线和灯丝的；还有一些包含螺旋，如微型星系。 “ALMA 彻底改变了这个领域，”科罗拉多州博尔德西南研究所的天文学家大卫·内斯沃尼 ( David Nesvorny ) 说。

ALMA 反驳了行星形成的经典模型。 “我们现在必须拒绝它并开始考虑完全不同的模型，”Drążkowska 说。观察结果表明，尘埃并没有通过圆盘平稳地分散，而是聚集在特定的地方，就像尘埃喜欢做的那样，这就是最早的行星胚胎形成的地方。例如，一些尘埃可能会在“雪线”处聚集在一起，即距离水结冰的恒星的距离。最近，加州理工学院的天文学家 Morbidelli 和 Konstantin Batygin认为，尘埃也会聚集在冷凝线处，在那里硅酸盐会形成液滴而不是蒸汽。这些冷凝线可能会导致交通拥堵，从而抑制尘埃落向恒星的速度并使其堆积。

“这是一种新的范式，”莫比德利说。

从尘埃到行星

甚至在 ALMA 显示尘埃喜欢在哪里聚集之前，天文学家就在努力理解它如何能够快速堆积起来形成一颗行星——尤其是一颗巨大的行星。婴儿太阳周围的气体将在大约 1000 万年内消散，这意味着木星必须在那个时间范围内收集大部分气体。这意味着尘埃一定在太阳点燃后不久就形成了木星的核心。朱诺号对木星的任务表明，这颗巨行星可能有一个蓬松的核心，表明它形成得很快。但是怎么做？

大约从 2000 年开始，天文学家就发现了这个问题，即湍流、气压、热量、磁场和其他因素会阻止尘埃以整齐的路径围绕太阳运行，或者防止尘埃飘入大堆。此外，任何大团块都可能被重力吸引到太阳中。

2005 年，普林斯顿大学的Andrew Youdin和Jeremy Goodman发表了一项关于尘埃团块的新理论，该理论是解决问题的一部分。他们争辩说，太阳点燃几年后，恒星周围的气体形成逆风，迫使尘埃聚集成团块，阻止团块落入恒星。随着原始尘埃兔子变得越来越大，越来越密集，最终它们在自身的重力作用下坍塌成紧凑的物体。这种被称为流动不稳定性的想法现在是一种被广泛接受的模型，用于说明毫米大小的尘埃颗粒如何迅速变成大块岩石。该机制可以形成直径约 100 公里的小行星，然后在碰撞中相互融合。

但是天文学家仍然在努力解释像木星这样更大的世界的形成。

2012 年，瑞典隆德大学的Anders Johansen和Michiel Lambrechts提出了一种被称为卵石吸积的行星增长变体。根据他们的想法，通过流动不稳定性产生的矮行星谷神星大小的行星胚胎迅速变得更大。星环盘中的重力和阻力会导致尘埃颗粒和鹅卵石盘旋在这些物体上，它们会像滚雪球一样快速增长。

卵石吸积现在是气体巨核如何形成的一个受欢迎的理论，许多天文学家认为它可能发生在这些 ALMA 图像中，允许巨行星在恒星诞生后的最初几百万年内形成。但是该理论与太阳附近的小型类地行星的相关性是有争议的。约翰森、兰布雷希茨和五位合著者去年发表的研究表明，向内漂移的鹅卵石如何促进金星、地球、火星和忒伊亚的生长——这是一个与地球相撞的自灭世界， 最终创造了月球。但问题依然存在。罗切斯特大学的天文学家Miki Nakajima说，卵石吸积并没有说明像地球-忒伊亚撞击这样的巨大撞击，这些撞击是塑造类地行星的重要过程。 “尽管卵石吸积非常有效，并且是避免经典模型出现问题的好方法，但它似乎并不是制造行星的唯一方法，”她说。

莫比德利拒绝卵石形成岩石世界的想法，部分原因是地球化学样本表明地球是在很长一段时间内形成的，而且陨石来自不同年龄的岩石。 “这是位置问题，”他说。 “过程因环境而异。为什么不呢，对吧？我认为这是定性的。”

几乎每周都会出现关于行星生长早期阶段的研究论文，天文学家就太阳星云中的精确凝结点争论不休；星子是否从落在行星上的环开始；当流媒体不稳定开始时；卵石增生发生的时间和地点。人们无法就地球的建造方式达成一致，更不用说围绕遥远恒星的类地行星了。

移动中的行星

在人类历史的大部分时间里，夜空中的五个流浪者——水星、金星、火星、木星和土星——是除此之外唯一已知的世界。康德发表星云假说 26 年后，威廉·赫歇尔发现了另一个更暗的流浪者，并将其命名为天王星。然后约翰·戈特弗里德·加勒在 1846 年发现了海王星。然后，一个半世纪后，已知行星的数量突然激增。

它始于 1995 年，当时日内瓦大学的 Didier Queloz 和 Michel Mayor 将望远镜对准一颗名为 51 Pegasi的类太阳恒星，并注意到它在摇晃。他们推断它被一颗比水星离我们的太阳更近的巨行星牵引着。很快，人们看到更多这些令人震惊的“热木星”围绕其他恒星运行。

2009 年开普勒太空望远镜打开镜头后，对系外行星的搜寻开始了。我们现在知道宇宙中到处都是行星。几乎每颗恒星都至少有一个，而且可能更多。然而，大多数似乎都有我们缺乏的行星：例如热木星，以及一类比地球大但比海王星小的中等大小的行星，被无创意地称为“超级地球”或“亚海王星”。没有发现与我们相似的恒星系统，它有四颗靠近太阳的小岩石行星和四颗遥远的气态巨行星。密歇根州立大学的天文学家赛斯·雅各布森说：“这似乎是我们太阳系所独有的、不同寻常的东西。”

进入尼斯模型，这个想法可能能够统一完全不同的行星架构。在 1970 年代，对阿波罗宇航员收集的岩石的地球化学分析表明，月球在 39 亿年前被小行星撞击——这一假定事件被称为晚期重型轰炸。 2005 年，受这一证据的启发，尼斯的莫比德利及其同事认为，木星、土星、天王星和海王星并不是像最早的太阳星云模型那样在它们现在的位置形成，而是在大约 39 亿年前移动。在尼斯模型中（该理论广为人知），当时巨行星疯狂地改变了它们的轨道，从而向内行星发出了小行星洪水。

晚期重型轰炸的证据不再被认为是令人信服的，但尼斯模型已经坚持了下来。 Morbidelli、Nesvorny 和其他人现在得出的结论是，这些巨行星可能在其历史上更早地迁移过，而且——以一种被称为“大钉”的轨道模式——土星的引力可能阻止了木星一路向太阳移动，而热的木星经常在那里成立。

换句话说，我们在太阳系中可能很幸运，多个巨行星相互控制，因此没有一个向太阳摆动并摧毁了岩石行星。

康奈尔大学的天文学家乔纳森·卢宁说：“除非有什么东西可以阻止这个过程，否则我们最终会发现巨行星大多靠近它们的主恒星。” “向内迁移真的是孤立巨行星成长的必然结果吗？可以阻止这种迁移的多颗巨行星的组合是什么？这是个大问题。”

根据莫比德利的说法，还存在“关于巨行星迁移时间的激烈辩论”——并且有可能它实际上帮助了岩石行星的生长，而不是在它们生长后威胁要摧毁它们。莫比德利刚刚启动了一个为期五年的项目，研究太阳形成后不久不稳定的轨道配置是否可能有助于激起岩石残骸，从而诱导地球世界的形成。

结果是，许多研究人员现在认为巨型行星及其迁移可能会极大地影响其岩石同胞的命运，在这个太阳系和其他太阳系中。木星大小的世界可能有助于小行星四处移动，或者它们可能会限制形成的陆地世界的数量。这是解释火星身材矮小的一个主要假设：它会变得更大，可能达到地球大小，但木星的引力影响切断了物质的供应。开普勒望远镜研究的许多恒星都在近距离轨道上拥有超级地球，科学家们对于这些恒星是否更有可能伴随着更远的巨行星存在分歧。亚利桑那大学的研究生雷切尔费尔南德斯说，团队令人信服地展示了两种系外行星类型之间的相关性和反相关性。这表明还没有足够的数据可以确定。 “这是会议中真正有趣的事情之一，”她说。 “你会说，’是的，互相大喊大叫，但哪种科学更好？’你不知道。”

反弹行星

最近，Jacobson 提出了一种新模型，它从根本上改变了 Nice 模型迁移的时机。他、中国浙江大学的刘蓓蓓和法国波尔多大学的肖恩·雷蒙德在 4 月发表在《自然》杂志上的一篇论文中认为，气体流动动力学可能导致巨行星在它们形成后仅几百万年就发生了迁移——比最初的尼斯模型早 100 倍，可能在地球本身出现之前。

在新模型中，行星“反弹”，随着太阳使圆盘中的气体升温并将其吹走而被遗忘。之所以会发生这种反弹，是因为当一颗婴儿巨行星沐浴在一个温暖的气体盘中时，它会感觉到向内拉向靠近恒星的稠密气体，并从更远的气体向外拉。向内的拉力更大，所以小行星逐渐靠近它的恒星。但是在气体开始蒸发后，也就是恒星诞生几百万年后，平衡发生了变化。相对于恒星，更多的气体留在行星的远端，因此行星被拖回。

反弹“对系统来说是一个相当大的冲击。它可能会破坏一个非常好的安排，”​​雅各布森说。 “但这很好地解释了巨行星的倾角和偏心率的[特征]。”它还跟踪有证据表明在其他恒星系统中看到的热木星处于不稳定的轨道上——可能会反弹。

在凝结线、鹅卵石、迁移和反弹之间，一个复杂的故事正在形成。不过，就目前而言，一些答案可能还隐藏着。大多数行星发现天文台都使用搜索方法来寻找靠近其主恒星运行的行星。 Lunine 说他希望看到行星猎人使用天体测量法，或测量恒星在太空中的运动，这可以揭示遥远的轨道世界。但他和其他人对定于 2027 年发射的南希·格雷斯·罗马太空望远镜感到最兴奋。罗马将使用微透镜，测量来自背景恒星的光如何被前景恒星及其行星的引力扭曲。这将使望远镜能够捕捉到轨道距离在地球和土星之间的行星——这是一个“最佳位置”，Lunine 说。

内斯沃尔尼说，建模人员将继续修改代码，并试图了解粒子分布、冰线、凝结点和其他化学物质的细微之处，这些化学物质可能在小行星聚结的地方发挥作用。 “这需要未来几十年才能详细了解，”他说。

时间是问题的本质。人类的好奇心可能是无限的，但我们的生命是短暂的，而行星的诞生却是永恒的。我们没有观察过程的展开，而是只有来自不同点的快照。

加州理工学院的天文学家巴蒂金将逆向工程行星的艰苦努力比作试图为动物建模，即使是简单的动物。 “蚂蚁比星星复杂得多，”巴蒂金说。 “你完全可以想象编写一个代码来非常详细地捕捉一颗星星，”而“你永远无法模拟一只蚂蚁的物理和化学并希望捕捉到整个事物。 ……在行星形成中，我们介于蚂蚁和恒星之间。”