岩石行星究竟是如何形成的

一种关于岩石行星如何形成的新理论可以解释所谓的“超级地球”的起源——一类比地球大几倍的系外行星，是银河系中数量最多的行星类型。

此外，它还可以解释为什么同一个行星系统中的超级地球最终往往看起来大小惊人地相似，就好像每个系统只能产生一种行星一样。

“随着我们对系外行星的观测在过去十年中不断发展，很明显行星形成的标准理论需要从基础开始进行修订。我们需要一种能够同时解释我们地球上类地行星形成的理论。太阳系以及超级地球的自相似系统的起源，其中许多看起来都是岩石组成的，”加州理工学院行星科学教授 Konstantin Batygin(MS '10，PhD '12)说，他与 Alessandro Morbidelli 合作法国蔚蓝海岸天文台的新理论。 1 月 12 日， Nature Astronomy发表了一篇解释他们工作的论文 。

行星系统的生命周期始于大型旋转的气体和尘埃盘，这些气体和尘埃在几百万年左右的过程中凝固。大部分气体在系统中心聚集到恒星中，而固体物质则慢慢聚结成小行星、彗星、行星和卫星。

在我们的太阳系中，有两种不同类型的行星：距离太阳最近的较小的岩石内行星和距离太阳较远的较大的富含水和氢的气态巨行星。 在2021 年底发表在 《自然天文学》上的一项早期研究 中，这种二分法导致 Morbidelli、Batygin 及其同事提出，我们太阳系中的行星形成发生在原行星盘的两个不同环中：一个内部环，小岩石行星形成了一个更大质量的冰行星(其中两个——木星和土星——后来成长为气态巨行星)的外层行星。

顾名思义，超级地球比地球质量更大。有些甚至有氢大气层，这使它们看起来几乎像气态巨行星。此外，它们经常被发现在靠近恒星的轨道上运行，这表明它们是从更远的轨道迁移到当前位置的。

“几年前，我们建立了一个模型，在这个模型中，超级地球在原行星盘的冰冷部分形成，并一直迁移到盘的内边缘，靠近恒星，”Morbidelli 说。“该模型可以解释超级地球的质量和轨道，但预测它们都富含水。然而，最近的观察表明，即使被氢气包围，大多数超级地球也是岩石的，就像地球一样。是对我们旧模型的死刑判决。”

在过去的五年里，随着科学家的发展，这个故事变得更加奇怪——包括加州理工学院天文学教授安德鲁霍华德领导的一个团队;圣母大学助理教授 Lauren Weiss;和 Erik Petigura，以前是加州理工学院天文学的萨根博士后学者，现在是加州大学洛杉矶分校的教授 - 研究了这些系外行星并做出了一个不寻常的发现：虽然存在各种各样的超级地球，但所有超级地球都在单个行星系统在轨道间距、大小、质量和其他关键特征方面往往相似。

“劳伦发现，在一个行星系统中，超级地球就像‘豆荚里的豌豆’，”霍华德说，他与巴蒂金-莫比德利的论文没有直接关系，但已经审阅过它。“你基本上有一个行星工厂，它只知道如何制造一个质量的行星，它只是一个接一个地喷出它们。”

那么，是什么单一过程既能产生我们太阳系中的岩石行星，又能产生均匀的岩石超级地球系统?

“答案原来与我们在 2020 年发现的东西有关，但没有意识到更广泛地应用于行星形成，”Batygin 说。

2020 年，Batygin 和 Morbidelli 提出了 木星四大卫星(Io、Europa、Ganymede 和 Callisto)形成的新理论。从本质上讲，他们证明，对于特定尺寸范围的尘埃颗粒，将颗粒拖向木星的力与将这些颗粒带入向外的气体流中的力(或夹带)完全相互抵消。这种力的平衡创造了一个物质环，构成了随后形成卫星的坚固基石。此外，该理论表明，由于气体驱动的迁移，物体会在环中生长，直到它们变得足够大以离开环。在那之后，它们停止生长，这就解释了为什么这个过程会产生相似大小的物体。

在他们的新论文中，Batygin 和 Morbidelli 提出围绕恒星形成行星的机制在很大程度上是相同的。在行星的情况下，固体岩石物质的大规模集中发生在圆盘中称为硅酸盐升华线的窄带 - 硅酸盐蒸气凝结形成固体岩石鹅卵石的区域。“如果你是一颗尘埃颗粒，你会在圆盘中感受到相当大的逆风，因为气体绕轨道运行的速度要慢一些，你会向恒星盘旋;但如果你是蒸气形式，你只会向外盘旋，连同气体在膨胀的圆盘中。所以你从蒸汽变成固体的地方就是物质积累的地方，”Batygin 说。

新理论将这个带确定为“行星工厂”的可能地点，随着时间的推移，它可以生产出几个大小相似的岩石行星。此外，随着行星变得足够大，它们与圆盘的相互作用将倾向于将这些世界向内拉，更靠近恒星。

Batygin 和 Morbidelli 的理论得到大量计算机建模的支持，但从一个简单的问题开始。“我们研究了现有的行星形成模型，知道它不会重现我们所看到的，然后问，‘我们认为什么断言是理所当然的?’”Batygin 说。“诀窍是看看每个人都认为是真实的东西，但没有充分的理由。”

在这种情况下，假设固体物质分散在整个原行星盘中。Batygin 说，通过抛弃这个假设，而是假设第一个固体形成环，新理论可以用一个统一的框架解释不同类型的行星系统。

如果岩石环包含大量质量，行星就会生长，直到它们从环中迁移出来，从而形成一个类似超级地球的系统。如果环的质量很小，它就会产生一个看起来更像我们太阳系类地行星的系统。

“我是一名观察员和仪器制造商，但我非常关注文献，”霍华德说。“我们经常会收到少量但仍然很重要的贡献。但每隔五年左右，就会有人提出一些在该领域产生地震变化的东西。这就是其中一篇论文。”

这篇论文的标题是“从一个狭窄的星子环形成岩石超级地球”。支持这项研究的资金来自加州理工学院、蔚蓝海岸天文台、大卫和露西尔帕卡德基金会、 国家科学基金会和欧洲研究委员会。