岩质还是气态？行星形成是抽盲盒吗——太阳系还是稀有款

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编译：雷丰图

参考文章：https://phys.org/news/2021-12-cosmic-history-properties-mercury-venus.html

校对：牧夫天文校对组

排版：雷丰图

后台：库特莉亚夫卡 李子琦 胡永葳

太阳系行星诞生于气体尘埃构成的原行星盘，天文学家正试图通过内侧4颗岩质行星的特性来研究它们的演化史。这些旋转的尘埃和气体盘有着一些基本物理特性，例如在外侧区域水会凝结成冰；而在靠近太阳的区域水只能以气态形式存在。天文学家们利用一系列的计算机模拟来探索它们不同的演化可能。结果表明，我们太阳系内侧行星的构成较为罕见。该研究已经发表在《自然-天文学》上。

几十年来，关于恒星周围行星形成的理论没有太多变化。许多细节仍然没有得到解释，天文学家们一直致力于解答这些问题。现在，由莱斯大学的安德烈-伊兹多罗领导的一个团队，包括来自马克斯-普朗克研究所的贝特拉姆-比奇，正努力解答太阳系内侧4颗岩质行星是如何演化的，以及它们为什么拥有现在这样的特性。

Credit：Pearson Edu

伊始

太阳系早期的全家福应该是这样的：在一颗年轻的恒星周围，形成了一个由气体和尘埃组成的 "原行星盘"，随着物质间的碰撞逐渐形成大个头的天体，最终达到数千公里的直径，演变成行星。不过近年来由于观测技术的进步，我们了解到了这一演化过程的更多细节。

比如最引人注目的变化是这张2014年ALMA开光后观测并拍摄的第一张图片（见下图）。这张图片以前所未有的细节展示了年轻恒星金牛座HL周围的原行星盘，而最令人震惊的细节是该原行星盘中清晰可见的环和间隙结构。

当参与原行星盘结构模拟研究的科学家分析了这些新的观察结果后，这种环和间隙显然与 "压力低谷”有关，即局部压力比周围区域要低一些。这些局部的变化通常与星盘构成的变化有关，例如尘粒的大小。

三段式

特别是有一些压力低谷与原行星盘中重要的转变有关，可以直接与基本物理特性相关联。1400开尔文是硅酸盐化合物的升华温度。也就是说，在离恒星很近的地方，在高于1400开尔文的温度下，由于高温硅酸盐化合物（我们试想一下地球上的沙粒）只能以气态存在。这也意味着行星不可能在这样一个高温区域形成。而在这个温度以下，任何硅酸盐气体会直接变成固态。这种压力低谷的限制碰撞决定了岩质行星形成的距离区间。

同理，离太阳更远的地方，在170开尔文（-100摄氏度），有一个水气和水冰之间的过渡，即雪线。(即恒星周围温度和压力低到足以形成水冰过渡）。在更低的温度下，30开尔文（-240摄氏度）是一氧化碳的雪线；在该温度以下，一氧化碳会以固体冰的形式出现。

ALMA的代表作，金牛座内一颗年轻的恒星

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

卵石捕捉器？

这对行星系统的形成意味着什么呢？许多模拟已经显示了这种压力低谷是如何促进行星形成的：从尘埃颗粒开始，这些尘粒往往聚集在相对低压区域，因为引力的作用向内漂移（即向恒星漂移），直到相对高压处。随后在这里逐渐碰撞形成直径在10到100公里之间的小物体，也就是早期行星核。

随着颗粒增加，特别是固体物质（倾向于聚集）相对于气体（倾向于推开颗粒）的比例增加，这些颗粒就更容易形成小团块，而这些小团块也更容易聚集成更大的物体。这些小团块就是天文学家所说的固体聚集体，大小在几毫米到几厘米之间。

对内太阳系的影响

但仍有未解决的问题，比如这些子结构在行星系统的整体形状中的作用，就像我们自己的太阳系，它有岩质内行星和气态外行星的分布特点。这就是安德烈-伊兹多罗（莱斯大学）、马克斯-普朗克研究所的贝特拉姆-比奇和他们的同事所要解决的问题。在寻找答案的过程中，他们结合了几个模拟，涵盖了行星形成的不同方面和不同阶段。

具体来说，天文学家在硅酸盐变成气体的边界，水和一氧化碳三个雪线区域构建模型。然后，他们模拟了尘粒在气体盘中的衍生、碎裂方式、小行星的形成，随后在地球的位置（即距离太阳 "1天文单位 "）附近从小行星形成原行星（从直径100公里到2000公里）、原行星形成岩质行星，以及小行星在新形成的小行星带聚集。

在我们自己的太阳系中，火星和木星轨道之间的小行星带有数百个较小的天体，它们被认为是该区域未能形成原行星的碎片，并非是某个大行星的残骸。

除了我们熟知的八大行星，太阳系的边界其实远在海王星甚至冥王星之外。随着距离的推移，物质的性质也在不断地发生改变，进而影响天体的形成。

Credit: NASA

这与我们现在的行星又有什么关系

一个有趣的问题是，如果微调一些参数，是否会对最终的结果产生巨大影响？了解这类变化可以帮助我们发现哪些成分对模拟结果有影响。这就是为什么比奇和他的同事们分析了一些不同的情景，这些情景的基本参数和行星盘的温度曲线属性各不相同。在一些模拟中，他们只分析了硅酸盐和水冰的压力低谷，而在另一些模拟中则分析了所有三种压力低谷。

这些结果表明，我们太阳系的外观与其原行星盘的环形结构之间存在着直接联系。研究人员认为："我们的模型能够很好地捕捉到像我们这样行星系统的演化，直到金星、地球和火星的质量和化学成分略有不同，这是一个惊喜。"

正如预期的那样，在这些模型中，模拟中的行星在雪线附近自然形成，向内漂移的小团块如同"宇宙交通堵塞"一样聚集，直到内侧的高压区域。

内太阳系的“食谱”

对于模拟系统的内侧，研究人员确定了形成类似于我们太阳系的对应条件。如果最内层（硅酸盐）压力低谷外的区域包含大约2.5个地球质量的小行星，这些小行星就会形成约火星大小的天体--与太阳系的内行星相一致。

更大质量的圆盘，或者更高的效率下，会导致 "超级地球 "的形成，也就是相对大质量的岩质行星。这些超级地球将围绕着恒星运行，轨道就在那个内侧压力低谷的边界处。该边界也可以解释为什么没有比水星更靠近太阳的行星--物质在靠近恒星的地方无法凝固。

模拟结果甚至可以解释火星和地球及金星不同的物质构成。模型中，地球和金星更靠近太阳，聚集了大部分物质，这些物质将形成它们的主体。相比之下，模拟中的火星，主要是由稍远区域的物质构成。

小行星带的“食谱”

在火星轨道之外，模拟得出的岩质聚集情况较少，或者在某些情况下，甚至完全没有小行星--这就是我们太阳系今天的小行星带的前身。然而，一些来自区内或临近的小行星会游离在小行星带区域并持续下去。

原行星团块还会碰撞，所产生的较小碎片就是我们今天所观察到的小行星。这些模拟甚至能够解释不同的小行星群。天文学家所称的S型小行星，即主要由二氧化硅构成的天体，是源自火星周围区域的天体残余物，而主要包含碳的C型小行星，则是来自小行星带外的天体残余物。

C型小行星占太阳系已知小行星总数的75%，也是太阳系所有天体中的老前辈。

Credit：Phenomena.org

气态巨行星与柯伊伯带

在这个外部区域，即水冰存在的压力低谷之外，模拟展示了巨行星形成--靠近该边界通常具有地球质量的40到100倍质量，与我们太阳系中巨行星核心的总质量相一致，即木星、土星、天王星和海王星。

在这种情况下，质量最大的行星将迅速聚集更多的质量。目前的模拟没有跟进这些巨行星后来的演化，最初是一个相当紧密的群体，随后天王星和海王星向外迁移到现在的位置。

最后，该研究可以解释最终一类天体及其特性：所谓的柯伊伯带天体，它们在雪线外的最外侧形成，即一氧化碳雪线边界。它甚至可以解释已知的柯伊伯带天体之间在成分上的细微差别：再次作为最初在一氧化碳雪线之外形成并留在那里的行星个体，以及从邻近的巨行星内部区域游离到柯伊伯带的行星个体之间的差别。

总览

总的来说，该系列模拟形成了两种基本结果。要么就是很早就形成了压力低谷区域；在这种情况下，行星系统的内部和外部区域在最初的十万年内就相当早地分道扬镳了。这导致在该系统的内部形成低质量的岩质行星，类似于在我们自己的太阳系中发生的情况。

另一种情况是，如果压力低谷的形成时间较晚，或者没有那么明显，那么更多的质量可以漂移到内部区域，反而导致内部行星系统中超级地球或小海王星的形成。从迄今为止天文学家发现的那些系外行星系统的观测中得到的证据表明，到目前为止，这种情况更多，而我们自己的太阳系是行星形成的一个相对罕见的结果。

在这项研究中，天文学家们的重点是太阳系的内侧岩质行星。接下来，他们希望模拟外侧区域的细节，包括木星、土星、天王星和海王星。最终的目标是为我们和其它恒星系统的特性得出一个完整的解释。

至少对于太阳系内侧来说，我们现在知道，地球及其邻接行星的关键特性可以追溯到形成初期的基本物理过程：在围绕着年轻太阳的气体和尘埃旋转盘中，关键物质的雪线及其相关的压力低谷决定了这些行星的演化。

责任编辑：毛明远

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艺术家还原太阳系早期图景

Credit:NASA/JPL-Caltech/T. Pyle

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