加州理工学院的科学家们揭示了关于岩质行星形成的统一理论

"随着我们对系外行星的观察在过去十年中的增长，很明显，行星形成的标准理论需要被修改，从基本原理开始。我们需要一个能够同时解释我们太阳系中的陆地行星的形成以及超级地球的自相似系统的起源的理论，其中许多看起来是岩石组成的，"加州理工学院行星科学教授Konstantin Batygin（10年硕士，12年博士）说，他与法国蓝色海岸天文台的Alessandro MorbiDELLi合作研究新理论。

他们的发现最近发表在《自然天文学》杂志上。

行星系统在开始其生命周期时是由气体和尘埃组成的大型旋转盘，在几百万年左右的时间里进行整合。大部分的气体聚集到系统中心的恒星中，而固体物质则慢慢凝聚成小行星、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：最接近太阳的较小的岩石内行星和离太阳较远的较大的富含水和氢的气体巨行星。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，我们太阳系的行星形成发生在原行星盘中两个不同的环中：一个是小型岩质行星形成的内环，另一个是质量更大的冰质行星的外环（其中两个木星和土星后来发展成为气态巨行星）。

一个关于岩质行星如何形成的新理论可以解释所谓的"超级地球"的起源--一类质量比地球大几倍的系外行星，是银河系中最丰富的行星类型。资料来源：加州理工学院

超级地球，顾名思义，比地球的质量更大。有些甚至有氢气大气层，这使它们看起来几乎像气体巨人。此外，它们经常被发现在靠近其恒星的轨道上运行，这表明它们是从更遥远的轨道上迁移到目前的位置。

"几年前，我们建立了一个模型，超级地球在原行星盘的冰雪部分形成，并一直迁移到行星盘的内部边缘，靠近恒星，"Morbidelli说。"该模型可以解释超级地球的质量和轨道，但预测所有的超级地球都是富水的。然而，最近的观察表明，大多数超级地球都是岩石，就像地球一样，即使被氢气大气层包围。这是对我们旧模型的死刑判决。"

在过去的五年里，这个故事变得更加诡异，因为科学家们--包括由加州理工学院天文学教授安德鲁-霍华德、圣母大学助理教授劳伦-韦斯和原加州理工学院萨根天文学博士后学者、现加州大学洛杉矶分校教授埃里克-佩蒂古拉领导的团队--研究了这些系外行星并有了不寻常的发现。虽然存在着各种各样的超级地球，但在一个行星系统中的所有超级地球在轨道间距、大小、质量和其他关键特征方面往往是相似的。

"劳伦发现，在一个单一的行星系统内，超级地球就像'豆荚里的豌豆'，"霍华德说，他与Batygin-Morbidelli的论文没有直接联系，但已经审查了该论文。"基本上可以被认为是一个行星工厂，它只知道如何制造一种质量的行星，而且它只是一个接一个地把它们喷出来。"

那么，什么单一的过程可以产生我们太阳系中的岩质行星，但也可以产生岩质超级地球的统一系统？答案原来与我们在2020年想出的东西有关，但没有意识到适用于更广泛的行星形成。

在2020年，Batygin和Morbidelli为木星四个最大的卫星的形成提出了一个新理论。从本质上讲，他们证明，对于特定大小范围的尘粒，将尘粒拖向木星的力和在气体外流中携带这些尘粒的力（或夹带力）完全相互抵消。这种力的平衡创造了一个物质环，构成了随后形成的卫星的坚实基石。此外，该理论表明，天体将在环中生长，直到它们变得足够大，由于气体驱动的迁移而离开环。在那之后，它们就会停止生长，这就解释了为什么这个过程会产生相似大小的天体。

在他们的新论文中，Batygin和Morbidelli提出，在恒星周围形成行星的机制大致相同。在行星的情况下，固体岩石材料的大规模集中发生在盘中一个被称为硅酸盐升华线的狭窄地带--一个硅酸盐蒸汽凝结形成固体岩石的区域。

"如果你是一粒尘埃，你在盘中会感到相当大的逆风，因为气体的运行速度更慢一些，你会向恒星螺旋前进；但如果你是水汽形态，你只是向外螺旋前进，与膨胀的盘中的气体一起。因此，你从水汽变成固体的那个地方是物质积累的地方，"Batygin说。

新理论将这一带确定为"行星工厂"的可能地点，随着时间的推移，它可以产生几个类似大小的岩质行星。此外，随着行星增长到足够大的质量，它们与圆盘的相互作用将倾向于把这些世界向内吸引，更接近恒星。Batygin和Morbidelli的理论得到了大量计算机模型的支持，但却从一个简单的问题开始。

在这种情况下，假设是固体物质分散在整个原行星盘上。Batygin说，通过抛弃这一假设，转而假设第一个固体体在环中形成，新理论可以用一个统一的框架解释不同类型的行星系统。

如果岩石环含有大量的质量，行星就会增长，直到它们移出环，形成一个类似的超级地球的系统。如果岩环包含的质量很小，它产生的系统看起来更像我们太阳系的陆生行星。