地球誕生新說：或是大量“鵝卵石“碰撞融合而成

想象一下，鵝卵石流在直徑100千米的原行星表面飛馳而過。當鵝卵石穿過圓盤中的氣體時，摩擦力使它們減速到足以被原行星引力場捕獲的程度。

出品|網易科學人欄目組 小小

微信|公號ID：WYKXR163

在我們太陽系早期，行星最快的形成方式坑是大量小型天體(而非巨大天體)互相碰撞融合而成。

圖1：藝術渲染圖，一顆恒星被原行星盤包圍

大約45億年前，太陽系堪稱是個充滿行星幼兒的托兒所。在年輕的太陽周圍，旋轉著一個由太陽系誕生而留下的氣體和塵埃構成的圓盤。環(huán)繞在軌道圓盤內的是星子(planetesimals，即直徑約1至100千米的巖石天體)，以及直徑約1000千米的更大原行星。這就好像一群不同大小的孩子被關進了同一個房間。

像所有的托兒所一樣，這是個吵鬧不堪的地方。星子呼嘯而過，偶爾會撞到一起。塵埃和巖石碎片迅速地穿過災區(qū)。花了幾百萬年的時間，這種學齡前的混亂才穩(wěn)定下來，今天的大部分行星就此形成。科學家們過去認為，行星是由星子相互碰撞和融合形成的，就像培樂多泥膠玩具那樣。但事實證明，這一過程耗時時間太長。所以天文學家最近提出了一種新說，來解釋小行星的形成過程。

計算機模擬顯示，在布滿塵埃的圓盤內，有許多鵝卵石狀小型天體會附著在不斷壯大的原行星上。這些小天體迅速地結合在一起，使得原行星迅速成長為成熟的行星，就像一個孩子突然間獲得足夠的重量，成為一個成年人。這一理論被稱為“鵝卵石加積”(pebbleaccretion)假說，正在重塑科學家們對早期太陽系形成的看法。此外，它也開啟了新的研究方向，比如探索行星如何圍繞除了太陽外的其他恒星形成的。

瑞典隆德大學的天文學家、該理論的合著者邁克爾·蘭布雷希茨(Michiel Lambrechts)說:“這些天體的形成更加快速輕松，鵝卵石加積假說提供了很多問題的解決方案。”在這些問題中，首要的問題是，在塵埃盤耗盡所需原料之前行星是如何形成的?模型表明，當塵埃盤中的氣體蒸發(fā)，其塵埃螺旋進入新生太陽的引力中時，它將會在大約100萬到1000萬年時間里消失。

在塵埃盤消失之前，最大的行星(比如木星和土星)會以某種方式聚集大約10個地球質量的核心。通過星子碰撞融合形成行星的時間太長了，因為星子通常會在沒有被重力捕獲的情況下，急速飛過嬰兒行星。而另一方面，小型鵝卵石天體很容易被原行星的引力捕獲，它們的積累可以幫助在100萬年左右的時間里形成一顆行星。

天文學家們知道這樣的小鵝卵石天體是存在的，因為他們已經看到它們在小恒星周圍運行。射電望遠鏡(例如位于新墨西哥州索科羅附近的大型陣列)，通過在電波中發(fā)光的方式測量了原行星塵埃盤中粒子的大小。這些圓盤中通常含有大量的鵝卵石天體。在某些情況下，相當于數(shù)百個地球質量的物體慢慢向恒星漂移。

當較小的塵埃顆粒碰撞合并時，鵝卵石就形成了。蘭德大學天文學家、“鵝卵石加積”理論的另一位合著者安德斯·約翰森(Anders Johansen)說：“圓盤上的大部分塵埃變成了鵝卵石。”他把原行星盤稱為“鵝卵石工廠”。

大約在2010年時，約翰森和蘭布雷希茨產生好奇，想知道這些鵝卵石與行星誕生之間的關系。他們開始了一系列的計算，包括關于鵝卵石如何與漂浮在原行星盤上的其他大碎石塊的相互作用。令約翰森和蘭布雷希茨吃驚的是，他們發(fā)現(xiàn)鵝卵石可以迅速地覆蓋到一顆原行星上。

關鍵在于摩擦。想象一下，鵝卵石流在直徑100千米的原行星表面飛馳而過。當鵝卵石穿過圓盤中的氣體時，摩擦力使它們減速到足以被原行星引力場捕獲的程度。

鵝卵石開始繞著更大的巖石天體旋轉，很快就會與其表面相撞。每一次碰撞都增加一小部分質量。在這樣的碰撞中，原行星會快速增長，達到直徑1000千米以上。蘭布雷希茨說：“從很多方面來看，鵝卵石加積是增加原行星質量的最有效方法。”如果一個原行星盤包含相等的巖石塊，即半數(shù)星子半數(shù)鵝卵石，那么鵝卵石比星子的效率高1000倍。約翰森和蘭布雷希在2012年開始的一系列論文中報告了他們的初步想法，并在去年的《地球與行星科學年鑒》上發(fā)表了綜述文章。

鵝卵石加積假說有助于解釋許多關于太陽系特性的問題。比如，現(xiàn)在環(huán)繞木星運行的美國宇航局“朱諾號”探測器發(fā)現(xiàn)，這個氣態(tài)巨行星的核心比科學家預期的要大得多，也更分散。約翰森認為，這可能意味著鵝卵石加積假說在發(fā)揮作用，這也是在塵埃盤消散之前，在可利用的時間內形成行星核心的唯一方法。

鵝卵石加積假說也闡明了天王星和海王星形成的長期秘密。令人費解的是，這些冰態(tài)巨行星以巨大的內核開始形成，而不像木星和土星那樣以大量的氣體形式存在。幼兒期的木星和土星最終到達了可被稱為“鵝卵石隔離質量”的臨界點，它們在這個期間已經足夠大，可以在周圍的氣體中產生壓力碰撞，把任何接近的鵝卵石推開。一旦它們停止吞噬鵝卵石，木星和土星就開始吸入氣體。相比之下，天王星和海王星從來沒有達到“鵝卵石隔離質量”，反而增加了軌道距離。為此，它們變成了“冰巨人”而不是“氣巨人”。

在太陽系之外，鵝卵石加積作用也解釋了許多奧秘，比如行星在離恒星很遠的距離形成。例如，飛馬座中年輕的恒星HR 8799(距離地球約129光年)，它有4顆比木星更大的行星，它們距離恒星的軌道距離是地球到太陽距離的68倍。相比之下，木星的軌道距離大約是地球到太陽距離的5倍。

約翰森和蘭布雷希茨的計算機模擬表明，這些行星可能形成于更遠的地方，并把鵝卵石卷入其中，隨著朝著現(xiàn)在的軌道旋轉，它們的體型變得越來越大。整個過程可能發(fā)生在原行星盤的生命周期中。這在舊有理論中是不可能發(fā)生的，因為在那么遠的距離沒有足夠的星子來有效地加積。

一個更大的問題仍然沒有答案，即最初的原行星從何而來?一種可能是被稱為“雪線”(snow line)的地方，即可以讓液態(tài)水結冰的恒星距離。在那里，塵埃和鵝卵石的物理性質發(fā)生了變化，因為它們經歷了從濕到干的過程。它們開始聚集起來，不像其他恒星環(huán)繞的圓盤，它們可以形成更大的體積，充當其他鵝卵石加積的行星種子。

蘇黎世大學天體物理學家喬安娜·德拉科斯卡(Joanna Dr??kowska)說最近表示，這使“雪線”稱為首顆原行星誕生的最佳地點。當這些最初的原行星形成之后，它們就可以開始在圓盤上吞噬其他鵝卵石。這種情況可能發(fā)生在最著名的行星系統(tǒng)之一身上，即擁有7顆類地行星的恒星TRAPPIST-1，它距離地球39光年。

阿姆斯特丹大學天文學家克里斯·奧梅爾(Chris Ormel)和他的同事們最近計算出，原行星開始在恒星周圍的“雪線”上形成，然后通過吸積鵝卵石迅速生長。由于重力對周圍圓盤的影響，這些剛剛誕生的行星在與地球體積相當?shù)臅r候停止壯大。奧梅爾稱：“這個特殊的系統(tǒng)很難用經典理論來解釋，但卻符合鵝卵石加積假說。”

蘭布雷希茨表示，隨著天文學家發(fā)現(xiàn)越來越多的行星和恒星，鵝卵石加積假說可以幫助他們理解更多行星是如何進化的，它使所有的行星形成更具活力。 (小小)

標簽： 新說 鵝卵石 地球