天文学家破解行星快速形成的秘密 原行星盘中的扰动迅速演变为气态巨行星

模型插图，显示木星、土星或天王星等气态巨行星如何在太阳系中从原行星盘的尘埃中迅速形成，然后将尘埃带入其轨道之外的区域。图片来源：© Thomas Zankl / crushedeyesmedia / LMU

我们的近邻是太阳系。我们对它了如指掌：太阳位于中心；然后是岩石行星水星、金星、地球和火星；然后是小行星带；接着是气态巨行星木星和土星；然后是冰态巨行星天王星和海王星；最后是柯伊伯带及其彗星。

但是，我们对自己的家园到底了解多少呢？以往的理论认为，巨行星是由类似小行星的天体（即所谓的"planetesimals"）碰撞和积聚形成的，随后气体经过数百万年的积累而形成。然而，这些模型既不能解释远离恒星的气态巨行星的存在，也不能解释天王星和海王星的形成。

慕尼黑路德维希-马克西米利安大学（Ludwig Maximilian University of Munich，LMU）、ORIGINS 星群和马克斯 -普朗克太阳系研究所 （Max Planck Institute for Solar System Research，MPS）的天体物理学家们开发出了有史以来第一个包含行星形成过程中所有必要物理过程的模型。利用这个模型，他们证明了原行星盘中的环状扰动，即所谓的子结构，可以引发多个气态巨行星的快速形成。研究结果与最新观测结果相吻合，表明巨行星的形成可能比以前认为的更有效、更迅速。

研究人员用他们的模型展示了毫米大小的尘埃粒子是如何在湍流气体盘中以空气动力学方式积累起来的，以及盘中的这种初始扰动是如何捕获尘埃并防止其向恒星方向消失的。这种积累使行星的生长变得非常高效，因为在一个紧凑的区域内突然出现了大量的"建筑材料"，并且具备了行星形成的适当条件。

Til Birnstiel。图片来源：Jan Greune / LMU

LMU理论天体物理学教授、ORIGINS卓越小组成员蒂尔-伯恩斯蒂尔（Til Birnstiel）解释说："当行星大到足以影响气体盘时，就会导致气体盘更远处的尘埃重新富集。在这一过程中，行星像牧羊犬追赶羊群一样，将尘埃驱赶到自身轨道之外的区域。这个过程重新开始，从内部到外部，另一颗巨型行星就可能形成。"

"这是首次通过模拟追踪微尘成长为巨行星的过程，"该研究的第一作者、德国慕尼黑大学博士生刘宇智浩（Tommy Chi Ho Lau）说。

在太阳系中，气态巨行星与太阳的距离约为 5 个天文单位（au）（木星）到 30 个天文单位（海王星）。相比之下，地球距离太阳约 1.5 亿公里，相当于 1 au。

这项研究表明，在其他行星系统中，扰动可能会在更远的距离上启动这一过程，而且仍然会非常迅速地发生。近年来，ALMA射电天文台经常观测到这类系统，并在距离超过 200 au 的年轻星盘中发现了气态巨行星。不过，这个模型也解释了为什么我们的太阳系在海王星之后显然不再形成更多的行星：因为"建筑材料"已经用完了。

研究结果与目前对年轻行星系统的观测结果相吻合，这些年轻行星系统的盘中有明显的亚结构。这些亚结构在行星形成过程中起着决定性作用。这项研究表明，巨行星和气态巨行星的形成过程比以前假定的效率更高、速度更快。这些新见解可以完善我们对太阳系巨行星起源和发展的理解，并解释所观测到的行星系统的多样性。

编译自/ScitechDaily