研究：行星生于乱世 形成过程并非井然有序

水晶人

行星是宇宙中最具多样性、最错综复杂的“种族”。尽管从宇宙的角度来看，它们仅仅是些废料，在宇宙膨胀的宏图中微不足道。然而，除行星外，没有任何一种天体承载了天文学、地质学、化学及生物学等过程如此复杂的相互作用。正如我们所知，行星也是宇宙中唯一能支持生命存在的地方。尽管我们对太阳系内形态各异、变化万千的行星已有所了解，在面对过去10年来发现的200多颗太阳系外行星时，它们呈现出的复杂多样性仍然出乎我们意料。

    这些行星的质量、大小、成分及轨道可谓千差万别，探究它们的起源是一个巨大的挑战。20世纪70年代，我还是研究生的时候，人们倾向于认为，行星形成是一个有秩序的、确定性的过程——这个过程就像一条生产流水线，将原恒星盘里杂乱无章的气体和尘埃，组装为类似太阳系的行星系统。现在，我们意识到这一过程其实相当混乱，形成的行星系统也各不相同。目前我们观测到的行星系统，都是在创造与毁坏相互竞争的动荡中幸存下来的。在形成过程中，很多行星被强烈的气流冲开，还有很多被它们所在行星系统里新形成的中央恒星吞噬，或是被散射到星际空间。我们所在的地球，就可能有遗失了很久、还徘徊在黑暗星际中的“同胞兄妹”。

    对行星形成的研究，是一门包含天体物理、行星科学、统计力学及非线性动力学的交叉学科。宽泛地讲，行星科学家发展出了两套主要理论。连续吸积理论（sequential-accretion scenario）认为，尘埃团块凝成的微粒形成固体岩石。这些岩石要么吸积大量气体，形成类似木星的气体巨行星，要么直接成为类似地球的岩石类行星。这一理论的主要缺点在于，连续吸积过程非常缓慢，气体有可能在这一过程完成以前就消散了。

    另一套理论——引力不稳定理论（gravitational-instability scenario）则认为：在充满气体和尘埃的原恒星盘碎裂瞬间，气体巨行星忽然形成，类似于较小规模的恒星形成过程。这一理论假设行星形成过程存在非常不稳定的状态，而这一理想化的初始状态实际上可能无法产生，因此还存有争议。天文学家还发现，质量最大的行星与质量最小的恒星之间缺乏过渡天体，两者仿佛被一片荒芜的“沙漠”分隔。这一现象暗示，行星并非只是质量较小的恒星，两者有着完全不同的起源。

    尽管这场争论还没有结束，大多数科学家认为，连续吸积的行星形成理论在两种理论中更为合理。我将在这里集中介绍这种理论。

    1 星际云塌缩

    时间：0（行星形成过程的起点）

    我们的太阳系隶属于一个拥有1,000亿颗恒星的星系。在这个星系中，恒星之间穿插着气体和尘埃云块，大部分云块来自于前一代恒星的碎片。在本文中，“尘埃”是指在恒星温度较低的外层凝结、并被抛射到恒星际空间的水冰、铁及其他固体微粒。当云团的温度足够低、密度足够大时，它们会在引力作用下坍缩形成成群的恒星。这一过程要花十万年到几百万年的时间。

    每颗年轻恒星周围都有一个转动的“盘”，盘里保留了恒星形成余下的物质，这些物质正是制造行星的原料。新形成的盘主要包含氢气和氦气。在盘中温度较高、密度较大的内部区域，尘埃颗粒被蒸发了；而在温度较低、密度较小的外部区域，尘埃颗粒幸存下来，随着蒸气在它们表面凝结而长大。

    天文学家发现，许多年轻恒星周围都存在这样的盘。年龄在100万年到300万年之间的恒星盘富含气体，而年龄大于1,000万年的恒星盘则较为贫瘠，气体较少——盘里的气体已经被新生恒星或者附近的明亮恒星吹走了。这段时间也正是行星形成的时期。粗略估算，这些盘里重元素的质量与太阳系行星所含重元素的总质量差不多，这为“行星确实形成于这样的盘中”这一观点提供了有力的证据。

    结束点：被气体和微米级尘埃微粒包围的新生恒星。


　　2 盘的自我清理

    时间：约100万年

    原行星盘（protoplanetary disk）里的尘埃被附近的气体搅动，互相碰撞。它们有时粘在一起，有时被撞碎。这些尘埃截获星光，并重新发射出低波段的红外线，确保这些热量能到达盘内部最黑暗的区域。总的说来，随着与恒星距离的增大，气体的温度、密度和压强逐渐减小。由于气体需要满足压强、转动和引力间的平衡，它们围绕恒星的转动速度，要比单独一个物体在相同距离处绕恒星转动的速度更慢。

    因此，直径大于几毫米的尘埃，运动速度往往超过气体围绕恒星的转速。气体对它们来说如同逆风，使它们减速，盘旋着“落向”中央恒星。尘埃长得越大，它们向内“迁移”的速度就越快。短短1,000年内，直径大约一米的石块到恒星的距离就可以缩短一半。

    当尘埃微粒接近恒星时，它们温度升高，最终使水和其他一些低沸点物质（即所谓的“易挥发物质”）蒸发。发生这种现象的位置被称为“雪线”（snow line），到中央恒星的距离介于2到4个天文单位之间。（1个天文单位就是地球的轨道半径，约为1.5亿千米。）在太阳系中，“雪线”位于火星与木星轨道之间。它将行星系统分为两个区域：内部区域充满岩石类天体但缺乏挥发性物质，外部区域则富含水冰之类的易挥发物质。

    在雪线上，水分子从尘埃微粒上蒸发时，往往会聚集在一起。这种聚集引发了一系列连锁效应。它使气体的性质在雪线上产生不连续性，导致那里压强降低。受力平衡使雪线附近的气体加速围绕中央恒星转动。因此，这里的尘埃受到的不再是逆风，而是顺风。于是尘埃的速度提升，停止向内迁移。随着尘埃持续不断地从盘的外部区域抵达雪线，它们会在那里堆积起来，雪线变成了一条“雪带”（snowbank）。

    这些尘埃拥挤在一起，互相碰撞并逐渐长大。其中一些尘埃冲过雪线继续往里迁移，但在迁移过程中，它们被泥浆和复合分子裹住，变得更加富有黏性。一些区域尘埃堆积太厚，以至于尘埃的整体引力也加速了尘埃颗粒的成长。

    通过这些方式，尘埃聚集成了千米级大小的物体，被称为星子（planetesimal）。在行星形成的最后阶段，最初盘中的几乎所有尘埃都被星子一扫而空。星子很难直接观测，但是天文学家可以通过它们碰撞形成的碎片来推断它们的存在。

    结束点：成群的千米级“建筑石料”，我们称之为星子。

    3 行星胚胎开始生长

    时间：100万年到1,000万年

    水星、月球及小行星上遍布陨石坑的地貌让我们确信，初期的行星系统就像靶场一样。星子之间的碰撞要么使它们增大，要么使它们碎裂。星子结合与碎裂之间的平衡，使星子的大小呈现出这样一种分布：小星子占据了这个新形成的行星系统的绝大部分表面积，而大星子则占据了该系统绝大部分的质量。一开始，它们的轨道可能是椭圆形的，但是经过一段时间，气体阻力和碰撞使得它们围绕恒星转动的路径渐渐趋于圆形。

    在成长初期，星子的增长是自我增强型的。星子越大，引力就越强，它就能更快地吸收周围质量比它小的星子。然而，当星子的质量增长到与月球相当时，引力就会变得太强，足以扰动周围的固体物质，让绝大多数的物体在与它碰撞之前就转向了。这一过程限制了星子的继续成长。至此，所谓的“诸侯”（oligarchy）族群就出现了——这类天体是行星的胚胎，它们质量相似，相互争夺剩下的星子。

    每一个行星胚胎都有一个吸积供给区，是一条以胚胎轨道为中心的窄带。一旦它吸积了该区域内的大部分星子，增长也就停止了。根据简单的几何学知识，该区域的大小及吸积的持续时间，都随到恒星距离的增大而增加。在距离中央恒星1个天文单位的地方，行星胚胎将吸积10万年，最终只能达到0.1倍地球质量。在距离5个天文单位的地方，它们可以吸积几百万年，达到4倍地球质量。如果行星胚胎在雪线附近，或是在星子同样趋于聚集的盘缝边缘，它们甚至能长得更大。

    “诸侯”族群的增长，使行星系统中充斥着数量过多的正在长大的原初行星，只有其中一部分能最后保留下来。太阳系里的行星虽然看起来空间分布较广，但是它们之间的紧密程度已经是所能达到的极限了。如果在类地行星目前的分布空间里放入另一个地球质量的行星，就会使所有类地行星的轨道变得不再稳定。在我们所知道的其他行星系统里，情况也是如此。如果你看到一杯非常满的咖啡，你可以合理地得出这样的结论：别人在倒这杯咖啡时，其实倒得过满，已经有一些咖啡溢出了；要将杯子倒满到刚刚好，不浪费一滴咖啡，似乎是不太可能的。同样的道理，行星系统最初所拥有的物质，很可能多于该系统最终所剩下的物质；一些物体会被弹出系统，直到该系统的结构达到某种平衡。天文学家已经在年轻的恒星星团里，观测到了自由飘荡的行星。

    结束点：质量介于月球到地球之间的行星胚胎，构成所谓的“诸侯”族群。