我们不知道答案的 125 个科学问题（52）行星的形成

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我们不知道答案的 125 个科学问题（52）行星的形成

作者：张林 | 发表时间：2023-8-26 11:59 | 个人分类：科学教育 | 系统分类：科普集锦

52. 行星是如何形成的？ How do planets form?

面对浩瀚宇宙之中存在的各种星体，除了因为发光而引人注目的恒星之外，还有一类普遍存在但不发光的星体，大家都习惯称其为行星。太阳系里就有八大行星，从它们的结构和组成来看几乎都是由中心固态核心包裹着大量的气体或冰晶类物质组成。太阳系行星的结构揭示出行星的内部都存在结合能较高的元素，如铁镍等，组成的核，加上在重力的作用下外部沉积和吸附有大量的气体，如氢气、氦气、氮气、甲烷等等气体（如水星、木星等），或者由固态岩石心包裹着厚厚的冰层（如天王星、海王星等）。除此以外，地球是我们最熟悉的行星，它的内部高温高压，而且地壳中存在大量的重金属元素，如金和银等等，外部也包裹有大气层，只是主要成分变成了氮气和氧气等。通过对太阳系行星的认识，人类发现行星的构成和形态存在多样性，其中最主要的有两类，一个是以木星为代表的气态巨型行星，一个是以地球为代表的类地行星。


图 1 太阳系及其行星

在过去的 25 年里，科学家们在太阳系之外也发现了大约 4000 多颗行星（www.exoplanet.eu.），这些行星有的是属于某个主星系的，有的根本就是在太空中独自流浪的星体。这些行星从相对较小的岩石和冰球到炙热的巨型气体行星，它们的形态也是千差万别。显然这些形态多样的行星在星系演化中其体积和质量还达不到发生核反应而成为恒星的地步，所以其质量和体积是仅次于恒星的星体，然而它们到底是独立自发形成的，还是上一代主星体爆发后的残骸收缩形成的，所以行星到底是如何形成的，这个问题目前并不十分清楚。

其实为了搞清楚这个问题，人类最简单的方式就是寻找最年轻的星系进行观察，例如 2015 年美国和澳大利亚的研究组发现了一个距离地球 450 光年的年轻星系 LkCa 15: Nature, 527, 342–344 (2015) 。通过观测，他们宣称发现了一个早期星系中正在形成的行星，这个被观测到的星系之所以受到重视是因为天文学家认为这是一个首次被观测到的正在形成中的初期星系，所以它的观测图像中包含着星系行星是如何演化和形成的直观信息。


图 2 LkCa 15 星系和红外波段成像图

当然这个观测结果因为信号的来源上还存在很多解读上的争议，但这次观测到的这两个清晰的巨型行星图像 b 和 c 还是为巨型行星的某种形成理论提供了一定的实际参考。然而，关于巨型气体行星（行星中最主要的形态，如太阳系中的木星）是如何形成的，目前有两种被广泛接受的理论：核心吸积理论（core accretion）和行星盘不稳定性理论（disk instability）。核心吸积理论认为，行星的形成来源于星云中固体粒子或尘埃的碰撞和凝聚过程，通过碰撞凝聚行星核逐渐变大，直到形成一个足够大的行星胚胎(大约为 10-20 个地球质量)，然后依靠万有引力在固态核外吸积一个气体包层，形成类似木星一样的行星；而吸积盘不稳定性理论则认为星系在形成过程中，其巨大吸积盘由于受到中心大质量恒星的吸引而收缩，巨型吸积盘从而迅速冷却撕裂成碎片，从而中心外围撕裂的部分会通过自引力形成大大小小的团块，这些团块最后逐渐成核形成了行星。虽然这两种理论都可以用来解释巨行星的形成，但除此以外还存在很多形态的行星，是以上两种理论都无法解释的。


图 3 星系及其行星的形成

显然 2015 年观测 LkCa 15 的结果则更倾向于第一种理论：核吸积理论。当然目前公认的行星形成机制中最流行的就是核吸积模型，它解释行星形成的过程可分为几个阶段：首先，星系吸积盘中的微粒物质（如星云或气体尘埃）相互碰撞并聚集形成厘米到米大小的物质团块；然后这些团块通过碰撞粉碎并重新粘结在一起进一步增大，形成尺寸在公里大小的星子（行星形成的前驱物），星子继续沉积凝聚；在凝聚中一些大质量的星子逐渐达到了可以控制周围绕其旋转物质的程度，从而导致其更加快速地沉积，最后形成行星的原始胚胎。在这个阶段，类地行星和气态巨行星的形成发生分化。在离恒星整体吸积盘较近的内侧区域，重金属元素会在较高的温度下凝聚，经过剧烈的碰撞和合并最终会将导致类地行星的产生。由于在离恒星较近的区域物质较少（由于恒星的吸积力大造成），所以内盘的这些天体相对较小，这就解释了为什么我们太阳系中的类地行星离太阳都比较近。在离恒星更远的雪线之外（较冷），行星胚胎是由固态岩石、金属和大量密度较低的冰物质混合而成，在如此低的温度下，氢和氦能够凝结并能形成更大的星体。所以这类行星的质量大约是地球的10倍，它拥有足够的引力来不断吸积氢和氦来形成自己的大气层，这个过程一直持续到行星附近的所有气体都耗尽为止。这就解释了为什么离太阳系较远的行星主要由较轻的元素组成，并且能够获得如此厚重和致密的大气层。


图 4 HD 106906 b 行星的发现

然而，这种机制却很难解释在距离恒星很远的地方形成大质量行星的观测。比如系外行星 HD 106906 b 的发现，它不同于我们太阳系的任何行星（如图 4 所示）。它的质量是太阳系木星的 11 倍，而它运行的轨道到主星的距离比地球围绕太阳的轨道要大 650 倍，所以其形成和主星系的吸积盘似乎毫无关系，可以认为它的形成是完全独立于主星系形成的。 而另外一个离我们更近的问题是：海王星和天王星通过吸积形成核心所需的时间尺度非常长，估计大约需要 1000 万年，而原始星系盘中的气体和尘埃存在的时间才几百万年。虽然一些改进的吸积模型可以缩短行星核心吸积形成的时间，但这仍然是一个充满模糊问题的机制，也许我们更应该去寻找形成冰巨星的另一种机制。


图 5 行星的核吸积形成理论示意图

而对于另一个行星形成的吸积盘不稳定性理论，虽然不怎么流行，但依然可以给出一些对行星观测比较满意的解释。这种机制不需要任何固体之间的直接相互作用，只需要行星吸积盘中气体和尘埃的冷凝过程。在原始行星盘收缩形成的早期阶段，快速冷却过程会在轨道时间尺度内发生，那些碎片物质能更快形成行星的核心，并进一步凝聚成我们所观察到的气态行星。这一理论为行星在很短的时间内形成（几千年）提供了一种解释，可以用来解释离恒星很近或很远的大型气态行星的存在。然而，一个恒星吸积盘是否能迅速冷却到足以在轨道时间尺度上分裂而形成行星的地步，这也是一个一直引起争论的问题，可能只有在行星轨道半径非常大的情况下这种行星形成的机制才具有可能性。


图 6 星系形成前期的星云物质

然而无论如何这两种理论都似乎无法解释太阳系和其他星系中木星这类热气巨型行星的存在。这些气体巨星（被称为热木星）的轨道距离其主星都非常近，而轨道周期甚至只有短短的几天时间。根据核吸积模型，由于其距离主恒星很近，温度很高，行星在形成过程中根本无法保持其气体外壳，而其轨道周期又很短，也根本不可能在这么短的时间内通过吸积盘不稳定发生分裂而形成行星。所以这种行星的存在，导致了行星迁移学说，认为行星在星系中产生的地方，并不是我们今天所观察到的地方，而是行星形成之后在星系中发生了迁移。然而这种行星的迁移机制，依然还是一种不能定论的学说。


图 7 上一代星体爆发后星云形成星系的过程