“地球诞生新说：或是大量“鹅卵石“碰撞融合而成”

本篇文章2625字，读完约7分钟

展出品|本科学员栏组小

微信公众号id:wykxr163

在我们太阳系初期，行星最快形成方法的孔不是巨大的天体，而是大量小型天体碰撞融合而成的。

图1 :一颗恒星被原始行星盘包围的艺术渲染图

约45亿年前，太阳系是行星上充满幼儿的托儿所。 太阳系诞生后剩下的由气体和尘埃构成的圆盘围绕年轻的太阳旋转。 在轨道圆盘中环绕的是星子( planetesimals，直径约1~100公里的岩石天体)和直径约1000公里的更大原行星。 这就像不同大小的孩子们被关在同一个房间里一样。

就像所有的托儿所一样，这是个喧闹的地方。 星星呼啸而过，偶尔会撞到。 尘埃和岩石的碎片迅速穿过灾区。 花了几百万年，这个学龄前混乱稳定下来，形成了今天的大部分行星。 科学家以前认为行星是像培乐多泥浆玩具一样由星星碰撞融合而成的。 但是，实际上，这个过程需要太多的时间。 因此天文学家最近提出了一种解释小行星形成过程的新学说。

计算机模拟显示，在布满灰尘的圆盘内，生长的原行星上附着着多个鹅卵石状的小型天体。 这些小天体迅速结合，使原来的行星迅速成长为成熟的行星，就像孩子突然得到了足够的重量，长大了一样。 这个理论被称为“玉石堆积”( pebbleaccretion )假说，它重新构建了科学家们早期对太阳系形成的看法。 另外，还开辟了新的研究方向，如探索行星是如何围绕太阳以外的恒星形成的等。

瑞典隆德大学的天文学家、该理论的共同作者迈克尔·兰勃列希茨( michiel lambrechts )说:“这些天体的形成更快更简单，玉石的加积假说提供了许多问题处理方案。” 在这些问题中，主要的问题是，在灰尘托盘用尽所需原料之前行星是如何形成的？ 根据模型，尘埃盘中的气体蒸发，当尘埃在新生太阳的引力下螺旋状进入时，在约100万年到1000万年之间消失。

在尘埃盘消失之前，木星和土星等最大的行星会以某种方式凝聚约10个地球质量中心。 星星碰撞融合形成行星的时间太长了。 因为星星不会被重力捕捉，而是在婴儿的行星上急速飞行。 另一方面，小型玉石天体很容易被原有行星的引力捕获，其积累有助于在100万年左右的时间内形成行星。

天文学家们知道有这样小鹅卵石天体存在。 因为他们已经看到了绕着小恒星转。 电波望远镜(例如新墨西哥州索科罗附近的大型阵列)通过在电波中发光，测量了原行星尘埃盘中粒子的大小。 这些圆盘里通常含有大量玉石天体。 在某些情况下，相当于数百个地球质量的物体逐渐向恒星移动。

小尘埃粒子碰撞合并后，玉石形成。 兰德大学天文学家、“玉石加积”理论的另一位合着者安德斯·约翰逊( anders johansen )说:“圆盘上的大部分灰尘都变成了玉石。” 他把原来的行星盘称为“玉石工厂”。

在大约一年的时间里，约翰逊和兰布雷希茨怀着好奇心，想知道这些玉石和行星诞生之间的关系。 他们开始了一系列计算，包括玉石如何与漂浮在原行星盘上的其他大碎石块相互作用。 约翰逊和兰布雷希特惊讶地发现玉石会迅速被原来的行星覆盖。

关键是摩擦。 想象一下小石子在直径100公里的原行星表面流动。 玉石穿过圆盘中的气体时，摩擦力将减速到足以被原行星重力场捕获的程度。

玉石开始围绕更大的岩石天体旋转，很快就会撞击表面。 每次碰撞，质量的一部分都会增加。 在这样的碰撞中，原行星迅速成长，直径达到1000公里以上。 兰博希茨说:“在许多方面，卵石堆积是提高原行星质量的最有效方法。” 如果含有等于一个原始行星盘的岩石块，也就是半数星子一半的玉石，玉石比星子的效率高1000倍。 约翰逊和兰博希在始于年的一系列论文中报告了他们的初步想法，并在去年的《地球与行星科学年鉴》上发表了综述。

玉石加积假说有助于解释太阳系特征的许多问题。 例如，环绕木星的美国宇航局朱诺号探测器发现，这颗气态巨行星的中心比科学家预想的要大得多，甚至更分散。 约翰逊认为，这可能意味着玉石堆积假说起了作用。 这也是尘埃盘消散之前，在可用时间内形成行星核的唯一方法。

玉石沉积假说还揭示了天王星和海王星形成的漫长秘密。 令人费解的是，这些冰状巨行星并不像木星和土星那样以大量气体存在，而是开始由巨大的核形成。 幼儿时期的木星和土星最终达到一个叫做“玉石隔离质量”的临界点，其间足够大，压力冲击周围的气体，能够将接近的玉石推开。 一旦停止吞噬玉石，木星和土星就会开始吸入气体。 与此相反，天王星和海王星没有达到“玉石隔离质量”，反而增加了轨道距离。 因此，他们不是“气巨人”，而是“冰巨人”。

除太阳系外，玉石的加载作用还解释了行星形成于离恒星很远的距离等许多奥秘。 例如，飞马座年轻恒星hr 8799 (距离地球约129光年)，有4颗比木星还大的行星，距恒星的轨道距离是地球到太阳距离的68倍。 相比之下，木星的轨道距离约是地球到太阳距离的5倍。

约翰逊和兰布雷希茨的计算机模拟表明，这些行星形成得更远，将玉石卷入，随着它们朝着现在的轨道旋转，它们的体型可能越来越大。 整个过程可能在原始行星盘的生命周期中发生。 这是旧理论不可能发生的事。 因为那么远的距离没有足够的星星来比较有效地堆积。

更大的问题还没有答案。 第一颗行星是从哪里来的？ 一个是叫做“雪线”( snow line )的地方，是可以冻结液态水的恒星距离。 在那里，尘埃和玉石的物理性质正在发生变化。 因为它经历了从淋湿到晾干的过程。 它开始像被其他恒星包围的圆盘一样凝聚，形成更大的体积，可以作为其他玉石堆积的行星物种运动。

苏黎世大学天体物理学家乔安娜·德拉科斯卡( joanna drążkowska )最近表示，将“雪线”称为第一颗原行星诞生的最佳地点。 这些第一颗原始行星形成后，圆盘就可以吞噬其他玉石了。 这可能发生在拥有7颗距离地球39光年的行星的恒星trappist-1这一最著名的行星系统之一。

阿姆斯特丹大学的天文学家克里斯·奥梅尔( chris ormel )及其同事们最近计算出，原来的行星开始在恒星周围的“雪线”上形成，通过吸收它，玉石迅速成长。 在重力对周围圆盘的影响下，刚诞生的行星在相当于地球体积的时候停止生长。 奥梅尔说:“这个特殊的系统用经典理论不太能解释，但符合玉石加积假说。”

兰博希茨说，随着天文学家发现更多的行星和恒星，玉石堆积假说有助于理解越来越多的行星是如何演化的，所有行星都更加充满活力。 (小的)

来源：安莎通讯社