互动科普

行星生于乱世

撰文  林潮（Douglas N. C. Lin）

绘图  唐狄克逊（Don Dixon）

翻译  李抒璘

审校  林潮

行星是宇宙中最具多样性、最错综复杂的“种族”。尽管从宇宙的角度来看，它们仅仅是些废料，在宇宙膨胀的宏图中微不足道。然而，除行星外，没有任何一种天体承载了包括天文学、地质学、化学及生物学在内的、过程如此复杂的相互作用。正如我们所知，行星也是宇宙中唯一能支持生命存在的地方。尽管我们对太阳系内形态各异、变化万千的行星已有所了解，在面对过去10年来发现的200多颗太阳系外行星时，它们呈现出的复杂多样性仍然出乎我们意料。

这些行星的质量、大小、成分及轨道可谓千差万别，探究它们的起源是一个巨大的挑战。20世纪70年代，我念研究生的时候，人们倾向于认为，行星形成是一个有秩序的、确定性的过程——这个过程就像一条生产流水线，将原恒星盘里杂乱无章的气体和尘埃，组装为类似太阳系的行星系统。现在，我们意识到这一过程其实相当混乱，形成的行星系统也各不相同。目前我们观测到的行星系统，都是在创造与毁坏相互竞争的动荡中幸存下来的。在形成过程中，很多行星被强烈的气流冲开，还有很多被它们所在行星系统里新形成的中央恒星吞噬，或是被散射到星际空间。我们所在的地球，就可能有遗失了很久、还徘徊在黑暗星际中的“同胞兄妹”。

对行星形成的研究，是一门包含天体物理、行星科学、统计力学及非线性动力学的交叉学科。宽泛地讲，行星科学家发展出了两套主要理论。连续吸积理论（sequential-accretion scenario）认为，尘埃团块凝成的微粒形成固体岩石。这些岩石要么吸积大量气体，形成类似木星的气体巨行星，要么直接成为类似地球的岩石类行星。这一理论的主要缺点在于，连续吸积过程非常缓慢，气体有可能在这一过程完成以前就消散了。

另一套理论——引力不稳定理论（gravitational-instability scenario）则认为：在充满气体和尘埃的原恒星盘碎裂瞬间，气体巨行星忽然形成，类似于较小规模的恒星形成过程。这一理论假设行星形成过程存在非常不稳定的状态，而这一理想化的初始状态实际上可能无法产生，因此还存有争议。天文学家还发现，质量最大的行星与质量最小的恒星之间缺乏过渡天体，两者仿佛被一片荒芜的“沙漠”分隔。这一现象暗示，行星并非只是质量较小的恒星，两者有着完全不同的起源。

尽管这场争论还没有结束，大多数科学家认为，连续吸积的行星形成理论在两种理论中更为合理。我将在这里集中介绍这种理论。

1星际云塌缩

时间：0（行星形成过程的起点）

我们的太阳系隶属于一个拥有1,000亿颗恒星的星系。在这个星系中，恒星之间穿插着气体和尘埃云块，大部分云块来自于前一代恒星的碎片。在本文中，“尘埃”是指在恒星温度较低的外层凝结、并被抛射到恒星际空间的水冰、铁及其他固体微粒。当云团的温度足够低、密度足够大时，它们会在引力作用下坍缩形成成群的恒星。这一过程要花十万年到几百万年的时间。

每颗年轻恒星周围都有一个转动的“盘”，盘里保留了恒星形成余下的物质，这些物质正是制造行星的原料。新形成的盘主要包含氢气和氦气。在盘中温度较高、密度较大的内部区域，尘埃颗粒被蒸发了；而在温度较低、密度较小的外部区域，尘埃颗粒幸存下来，随着蒸气在它们表面凝结而长大。

天文学家发现，许多年轻恒星周围都存在这样的盘。年龄在100万年到300万年之间的恒星盘富含气体，而年龄大于1,000万年的恒星盘则较为贫瘠，气体较少——盘里的气体已经被新生恒星或者附近的明亮恒星吹走了。这段时间也正是行星形成的时期。粗略估算，这些盘里重元素的质量与太阳系行星所含重元素的总质量差不多，这为“行星确实形成于这样的盘中”这一观点提供了有力的证据。

结束点：被气体和微米级尘埃微粒包围的新生恒星。

2盘的自我清理

时间：约100万年

原行星盘（protoplanetary disk）里的尘埃被附近的气体搅动，互相碰撞。它们有时粘在一起，有时被撞碎。这些尘埃截获星光，并重新发射出低波段的红外线，确保这些热量能到达盘内部最黑暗的区域。总的说来，随着与恒星距离的增大，气体的温度、密度和压强逐渐减小。由于气体需要满足压强、转动和引力间的平衡，围绕恒星的转动速度，要比单独一个物体在相同距离处绕恒星转动的速度更慢。

因此，直径大于几毫米的尘埃，运动速度往往超过气体围绕恒星的转速。气体对它们来说如同逆风，使它们减速，盘旋着“落向”中央恒星。尘埃长得越大，向内“迁移”的速度就越快。短短1,000年内，直径大约一米的石块到恒星的距离就可以缩短一半。

当尘埃微粒接近恒星时，它们温度升高，最终使水和其他一些低沸点物质（即所谓的“易挥发物质”）蒸发。发生这种现象的位置被称为“雪线”（snow line），到中央恒星的距离介于2到4个天文单位之间。（1个天文单位就是地球的轨道半径，约为1.5亿千米。）在太阳系中，“雪线”位于火星与木星轨道之间。它将行星系统分为两个区域：内部区域充满岩石类天体但缺乏挥发性物质，外部区域则富含水冰之类的易挥发物质。

在雪线上，水分子从尘埃微粒上蒸发时，往往会聚集在一起。这种聚集引发了一系列连锁效应。它使气体的性质在雪线上产生不连续性，导致那里压强降低。受力平衡使雪线附近的气体加速围绕中央恒星转动。因此，这里的尘埃受到的不再是逆风，而是顺风。于是尘埃的速度提升，停止向内迁移。随着尘埃持续不断地从盘的外部区域抵达雪线，它们会在那里堆积起来，雪线变成了一条“雪带”（snowbank）。

这些尘埃拥挤在一起，互相碰撞并逐渐长大。其中一些尘埃冲过雪线继续往里迁移，但在迁移过程中，它们被泥浆和复合分子裹住，变得更加富有黏性。一些区域尘埃堆积太厚，以至于尘埃的整体引力也加速了尘埃颗粒的成长。

通过这些方式，尘埃聚集成了千米级大小的物体，被称为星子（planetesimal）。在行星形成的最后阶段，最初盘中的几乎所有尘埃都被星子一扫而空。星子很难直接观测，但是天文学家可以通过它们碰撞形成的碎片来推断它们的存在。

结束点：成群的千米级“建筑石料”，我们称之为星子。

3行星胚胎开始生长

时间：100万年到1,000万年

水星、月球及小行星上遍布陨石坑的地貌让我们确信，初期的行星系统就像靶场一样。星子之间的碰撞要么使它们增大，要么使它们碎裂。星子结合与碎裂之间的平衡，使星子的大小呈现出这样一种分布：小星子占据了这个新形成的行星系统的绝大部分表面积，而大星子则占据了该系统绝大部分的质量。一开始，它们的轨道可能是椭圆形的，但是经过一段时间，气体阻力和碰撞使得它们围绕恒星转动的路径渐渐趋于圆形。

在成长初期，星子的增长是自我增强型的。星子越大，引力就越强，它就能更快地吸收周围质量比它小的星子。然而，当星子的质量增长到与月球相当时，引力就会变得太强，足以扰动周围的固体物质，让绝大多数的物体在与它碰撞之前就转向了。这一过程限制了星子的继续成长。至此，所谓的“诸侯”（oligarchy）族群就出现了——这类天体是行星的胚胎，它们质量相似，相互争夺剩下的星子。

每一个行星胚胎都有一个吸积供给区，是一条以胚胎轨道为中心的窄带。一旦它吸积了该区域内的大部分星子，增长也就停止了。根据简单的几何学知识，该区域的大小及吸积的持续时间，都随到恒星距离的增大而增加。在距离中央恒星1个天文单位的地方，行星胚胎将吸积10万年，最终只能达到0.1倍地球质量。在距离5个天文单位的地方，它们可以吸积几百万年，达到4倍地球质量。如果行星胚胎在雪线附近，或是在星子同样趋于聚集的盘缝边缘，它们甚至能长得更大。

“诸侯”族群的增长，使行星系统中充斥着数量过多的正在长大的原初行星，只有其中一部分能最后保留下来。太阳系里的行星虽然看起来空间分布较广，但是它们之间的紧密程度已经是所能达到的极限了。如果在类地行星目前的分布空间里放入另一个地球质量的行星，就会使所有类地行星的轨道变得不再稳定。在我们所知道的其他行星系统里，情况也是如此。如果你看到一杯非常满的咖啡，你可以合理地得出这样的结论：别人在倒这杯咖啡时，其实倒得过满，已经有一些咖啡溢出了；要将杯子倒满到刚刚好，不浪费一滴咖啡，似乎是不太可能的。同样的道理，行星系统最初所拥有的物质，很可能多于该系统最终所剩下的物质；一些物体会被弹出系统，直到该系统的结构达到某种平衡。天文学家已经在年轻的恒星星团里，观测到了自由飘荡的行星。

结束点：质量介于月球到地球之间的行星胚胎，构成所谓的“诸侯”族群。

4第一个气体巨行星诞生

时间：100万年到1,000万年

木星最初可能是一个与地球差不多大小的核，吸积了大约300倍地球质量的气体。如此壮观的增长取决于多种相互竞争的效应。行星胚胎的引力会吸引盘中的气体，但下落的气体又会释放能量。必须等气体冷却，它们才能沉积下来。因此，行星增长率受到了冷却效率的限制。如果增长太慢，行星胚胎还来不及获得一层厚厚的大气，盘中的气体就会被恒星驱散。正在成长的大气外层所能通过的辐射能流（flux of radiation）是热量传导的主要瓶颈，它取决于气体的不透明度（opacity，主要由气体组成成分决定）和温度梯度（temperature gradient，主要由行星胚胎的初始质量决定）。

早期的模型表明，行星胚胎需要长到大约10倍于地球的临界质量，才能进行足够快的热量传输。这么大的行星胚胎能够在雪线附近形成，是因为固体物质会更早在那里聚集。这或许可以解释为什么木星所在的位置正好在雪线以外不远处。如果盘中含有的原材料比过去行星科学家常常假设的数量更多，这种大行星胚胎还可以在别的地方形成。实际上，天文学家现在已经发现，许多恒星周围盘中的物质密度比传统估计大了好几倍。在这种情况下，热量传输不会造成难以克服的困难。

另外一个阻止气体巨行星形成的因素是，行星胚胎会盘旋着靠近中央恒星，也就是向里迁移。在一种被称为I型迁移（type I migration）的过程中，行星胚胎在气体盘中激起波纹，这些波纹反过来又对胚胎的轨道施加引力拖拉作用。波纹跟随行星移动的模式就像船的尾波。行星胚胎轨道外侧距离恒星较远的气体，环绕恒星转动的速度慢于行星胚胎，因此起到了“向后拉”的作用，减慢了胚胎的运动速度。同时，轨道内侧的气体环绕恒星转动的速度则快于行星胚胎，起到了“往前推”的作用，加快了胚胎的运动速度。外侧区域面积较大，赢得了这场“拔河”比赛，使行星胚胎损失能量，在100万年的时间里向盘中央迁移好几个天文单位。这种迁移往往在雪线附近停止。因为在那里，气体由逆风变为顺风，为行星胚胎提供了额外的推动力。这也许是木星出现在现在这个位置上的另一个原因。

行星胚胎的增长、迁移和气体消耗的速率大体相同，哪个因素获胜只能凭运气决定。实际上，可能有好几代行星胚胎刚开始吸积气体，还来不及完成整个形成过程，就迁移到别处去了。一批批星子尾随着前辈们的“足迹”，从盘的外部区域往里迁移，重复着同样的过程，直到最终有一颗气体巨行星成功形成，或者盘中的气体消散殆尽，没有任何气体巨行星在盘里“扎根”。在天文学家观察的类似太阳的恒星中，只有10%的恒星周围存在与木星质量相当的行星。这些行星的核可能是许多代行星胚胎中罕见的幸存者——犹如最后一个莫希干人。

这些过程的平衡取决于整个系统最初所贡献的物质总量。大约1/3富含重元素的恒星周围有木星质量的行星围绕。有可能这些恒星拥有密度较大的盘，能够产生较大的行星胚胎，从而避开了热量传输的瓶颈。相反，较小的恒星或缺乏重元素的恒星周围形成的行星也较少。

增长过程一旦启动，就会加速到快得惊人的地步。在短短1,000年内，一颗木星质量的行星就能获得最终质量的一半。在此过程中，它会耗散出非常多的热量，短期内甚至比太阳还要明亮。当它的质量大到不再受I型迁移的影响时，行星便稳定下来。它开始改变盘中气体的轨道，而不再是盘改变它的轨道。行星轨道内侧的气体围绕恒星的转动快于行星，因此行星的引力趋向于阻止气体运动，使它们落向中央恒星——也就是说，使它们远离行星。行星轨道外侧的气体围绕恒星的转动慢于行星，因而行星趋向于加快气体速度，使它们往外迁移——还是使它们远离行星。如此一来，行星会在盘里开辟出一条盘缝，切断自己的原材料的供给。尽管气体会努力回填那条盘缝，但是计算机模拟表明，在距离恒星5个天文单位的地方，如果行星质量大致超过木星质量，就会赢得这场“斗争”。

行星的临界质量取决于行星形成的时间。行星形成越早，它就能长得越大，因为盘里还有大量的气体。土星质量小于木星的原因，可能仅仅是它比木星晚形成了几百万年。天文学家已经注意到，介于20倍地球质量（海王星质量）和100倍地球质量（土星质量）之间的行星数量很少，这或许为精确测定行星形成时间提供了一条线索。

结束点：一个木星大小的行星（或者没有）。

5气体巨行星继续迁移

时间：100万年到300万年

奇怪的是，过去10年间发现的许多太阳系外行星，绕转轨道离它们的中央恒星非常近，甚至比水星围绕太阳的轨道还近很多。这些气体巨行星类似于木星，温度却高得多，因此被称为“热木星”（hot Jupiter）。它们不可能在现在的位置形成，因为那些轨道位置的吸积区域太小，无法提供足够的物质。它们的出现似乎需要经历三个依次发生的步骤。这三个步骤不一定会在每个行星系统中完整发生，我们自己的太阳系中就没有发生。

第一步，一个气体巨行星应该在盘里仍有大量气体时，形成于行星系统内部的雪线附近区域。这就要求盘中聚集着高密度固体物质。

第二步，巨行星必须迁移到它们目前所在的位置。I型迁移无法做到这一点，因为它只对并未吸积太多气体的行星胚胎发挥作用。II型迁移必然替代I型迁移继续发挥作用。正在形成的巨行星在盘中开辟出一条盘缝，阻止气体穿越它的轨道。而盘中邻近区域湍急的气体又有向缝中扩散的趋势。如此一来，行星必然会与气体扩散相抗争。气体从未停止往盘缝中的渗透，它向中央恒星的扩散使行星损失轨道能量。这一过程相对缓慢，需要几百万年才能使一个行星移动几个天文单位。因此，如果一个行星最终能够近距离“拥抱”恒星，它一开始就必须在行星系统的内部区域形成。这些行星往里迁移时，会将沿途剩余的星子和行星胚胎推到它们的轨道前方，有可能会形成轨道离中央恒星很近的“热地球”（hot earth，即类似地球却非常炽热的行星）。

第三步，必须有某种机制停止行星的迁移，阻止行星径直掉进恒星之中。恒星磁场有可能清除恒星邻近区域的气体；没有了气体，迁移就会停止。另一方面，行星有可能在恒星上引起潮汐，恒星又反过来扭转了行星的轨道。这些安全保障不一定会在所有系统中发生，因此也会有很多行星一头掉进恒星之中。

结束点：紧密绕转中央恒星的巨行星（即“热木星”）。

6其他巨行星加入大家庭

时间：200万年到1,000万年

如果一个气体巨行星率先形成，它将为其他气体巨行星的形成提供便利。许多已知的巨行星都拥有质量相当的同胞姐妹（这种情况可能是大多数）。在我们太阳系中，木星大大促进了土星的形成过程，如果只靠土星自己的话，形成过程会缓慢许多。木星还给天王星和海王星助了一臂之力，否则它们可能永远长不到现在的大小。在它们距离太阳的位置上，得不到援助的形成过程非常缓慢，甚至在行星完全形成之前，盘就可能完全消散，只留下一些“发育不良”的行星。

先形成的气体巨行星“前辈”有几个效应会帮助其他巨行星形成。在它开辟的盘缝外边缘，物质会聚集起来——这和物质在雪线聚集的原因差不多：压强梯度使气体加速，对尘埃和星子来说就像遇到了顺风，于是便停下了从盘的外部区域迁移而来的脚步；另一个效应是，它的引力趋向于将附近的星子抛到行星系统外围，使它们在那里形成新的行星。

第二代行星从第一个气体巨行星为它们聚集起来的物质中形成。时机非常关键，就算时标只差一点点，结果也会大相径庭。就天王星和海王星而言，星子的聚集过犹不及。它们的行星胚胎长得太大，达到了大约10～20倍地球质量，延误了气体吸积的时机——等它们开始吸积时，已经没有多少气体可用了。这两个行星最终只吸积了大约两倍地球质量的气体。它们不是气体巨行星，而是冰质巨行星。实际上，这种巨行星更为常见。

第二代行星的引力场使行星系统变得更加复杂。如果这些行星形成时靠得太近，它们相互间的作用以及它们与气体盘之间的作用，就会把它们弹射到椭率很大的新轨道上。在太阳系里，所有行星的轨道都近似于圆形，而且空间分布足够远，彼此间不受影响。然而，在别的行星系统，椭长形的轨道很常见。在一些系统里，行星轨道是共振的——也就是说，它们的轨道周期呈现出简单的整数比例关系。行星系统形成之初就出现这种情况是不太可能的，但是当行星迁移并在引力作用下最终相互锁定在一起时，就可能自然而然出现这种情况。这些行星系统与我们太阳系的不同，可能仅仅是因为盘里气体的初始配额不同。

大多数恒星在星团中形成，超过半数的恒星拥有伴星。行星在一个平面中形成，这个平面可能与恒星的轨道平面不同。在那种情况下，伴星的引力会很快重新调整并扭曲行星的轨道，最终形成的行星系统不像我们太阳系这样是平面的，而是一个球形的系统，就像一群蜜蜂绕着蜂巢嗡嗡飞舞。

结束点：一小群巨行星。

7组装类地行星

时间：1,000万年到10亿年

行星科学家预期，类地行星比气体巨行星更为常见。气体巨行星的形成要求众多相互竞争的效应达到良好平衡，而岩石类行星的形成则要求不高。不过，除非在太阳系外找到其他类地行星，否则我们就只能依赖于现有的唯一一个案例——太阳系。

太阳系有四个类地行星——水星、金星、地球和火星，主要由铁和硅酸岩之类的高沸点物质构成。这说明它们形成于雪线以内，没有发生过很显著的迁移。在这个距离范围内，气体盘中的行星胚胎能够长到大约0.1倍地球质量，不会比水星大太多。如果要长得更大，行星胚胎的轨道就必须交叉，让它们能够碰撞和并合。这很容易解释。气体消散之后，行星胚胎彼此影响，轨道变得越来越不稳定，几百万年之后，它们的轨道就会变得椭长，足以相互交叉。

行星系统怎样重新稳定下来才是更难解释的一点：究竟是什么机制让类地行星处于目前的近圆轨道上。少量残余气体就够促使这种情况的发生，但如果气体存在的话，星子的轨道一开始就不会变得不稳定，也就不可能相互交叉，让星子有机会发生碰撞和并合。一种观点认为，在行星快要形成时，仍有大群星子存在。在接下来的100万年里，行星扫除了其中一部分星子，并将余下的星子散射到太阳之中。这些行星将它们的无规运动转移给了注定要毁灭的星子，自己则进入了圆形或者近圆轨道。

另一种观点认为，木星引力的远程影响使正在形成的类地行星发生迁移，让它们有机会接触并吸收新的物质。这一影响在特殊的共振位置上达到最强。随着木星的轨道逐渐迁移到最终的位置，共振位置也会往里移动。放射性年代测定显示，小行星形成较早（比太阳形成晚400万年），接下来是火星的形成（比太阳晚1,000万年），然后才是地球（比太阳晚5，000万年）——就像木星激起的波逐渐向太阳系内侧扫荡一样。如果没有受到抑制，木星的影响可能已经把所有的类地行星推到水星的轨道上了。然而，这种情况并未发生，原因何在？可能是类地行星太大，甚至连木星也无法明显移动它们；又或许它们被剧烈的碰撞撞出了木星的势力范围。

尽管如此，大多数行星科学家并不认为木星在类地行星的形成中起到了决定性的、必不可少的作用。绝大部分类似太阳的恒星并不拥有类似木星的行星，但它们仍然有尘埃碎片，说明这些系统中存在星子和行星胚胎，能够聚集并形成类地行星。未来10年内，观测天文学家需要回答一个重要的问题：有多少行星系统只拥有类地行星，而没有类木行星。

对于地球来说，太阳形成后3,000万到1亿年间，发生了一件决定性的事件。一个火星大小的行星胚胎撞上了原始地球，抛出了数量庞大的碎片，后来结合形成了月球。在早期太阳系里，横冲直撞的天体数量众多，因此类似的剧烈碰撞并不出人意料。其他行星系统中的类地行星也可能拥有卫星。剧烈碰撞还会产生另一种效果——释放出稀薄的原始行星大气。地球今天的大气绝大部分来源于形成地球的星子，被这些星子俘获在岩石中的气体后来通过火山活动喷发出来。

结束点：类地行星

8扫尾行动开始

时间：5,000万年到10亿年

到了这个时候，行星系统差不多形成了。还有少数几个效应在对行星系统进行微调，它们分别是：结构松散的恒星星团的逐渐瓦解，它的引力作用可能会使行星的轨道变得不稳；中央恒星彻底清除气体盘后引起的内部不稳定性；以及剩余星子在巨行星作用下的持续散射。在太阳系中，天王星和海王星将星子往外扔，形成柯伊伯带（Kuiper belt），或者往里抛，丢到太阳中去。木星的引力则大得多，它将星子扔到了太阳引力势力范围的边缘，在更远的地方形成了奥尔特云（oort cloud）。奥尔特云可能含有等同于100倍地球质量的物质。有时，来自柯伊伯带或奥尔特云的星子会朝太阳方向“掉落”，形成彗星。

在散射星子的同时，行星自身也会发生某种程度的迁移。这可以解释海王星和冥王星轨道间的同步。土星轨道也许曾经靠近木星轨道，后来才向外迁移。这一过程也可以解释所谓的“晚期重型轰击”（late heavy bombardment），即太阳形成8亿年后，月球（或许还有地球）曾经遭受到的特别频繁的天体撞击事件。在某些行星系统里，行星形成进程的晚期有可能发生发育完全的行星相互碰撞的壮观场面。

结束点：行星和彗星的最后布局

并非精心设计

在发现太阳系外行星以前，太阳系是我们仅有的研究样本。尽管它为许多重要过程的微观物理学提供了丰富的信息，但也限制了我们了解其他行星系统形成过程的视野。过去10年来，我们惊讶地发现行星系统居然如此丰富多样，这在很大程度上开扩了我们的理论眼界。我们已经意识到，太阳系外行星是原行星形成、迁移、碎裂及持续动态演化等一系列过程的最后一代幸存者。太阳系相对井然有序，其实并不是大自然精心设计的结果。

过去，理论天文学家关注的焦点是提出模型，解释太阳系形成过程留下的遗迹；如今，他们的工作重心已经转变成构建理论，作出能够用未来的观测加以检验的预言。目前，观测天文学家只能在类似太阳的恒星周围观察到木星质量的行星。利用新一代探测器，他们将有能力寻找地球大小的行星。按照连续吸积理论，这样的行星比较常见。行星科学家也许才刚刚开始发现，这个宇宙中行星所拥有的丰富多样性。