幾十年來，天文學家對那些圍繞着恒星（比如太陽）的行星（比如地球或火星）是如何形成的，一直有一個大緻的圖景：在一顆年輕的恒星周圍，會出現一個由氣體和塵埃構成的原行星盤，在這個盤裡，小型天體出現并越長越大，最終達到幾千千米的直徑，換句話說，它們就成了行星。
但問題在于，在這個簡單圖景中還有許多細節仍然沒有得到解釋。最近，在一項新研究中，天文學家利用一系列模拟來探索帶内行星演化的不同可能性。他們發現，内太陽系實際上是一種罕見的、但可能的演化結果。研究已于近日發表在《自然·天文學》上。
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旋動的盤和環改變了一切
近年來，由于觀測方法的提升，現代的行星形成圖景在非常具體的方向上得到了完善和提高。
最引人注目的改變來自ALMA（阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列）于2014年釋出的年輕恒星金牛座HL周圍的原行星盤。它以前所未有的細節揭示了這個盤中清晰可見的環和環縫的嵌套結構。
2014年，ALMA首次揭示了原行星盤中的環狀結構。| 圖檔來源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
研究人員認為，這種環和環縫通常與一種“壓力颠簸”（pressure bump）有關，也就是某些地方的局部壓力比周圍區域要低一些。這些局部變化通常離不開盤中成分的變化，主要是塵埃顆粒大小的差異。
特别是，某些壓力颠簸與盤中的三個重要的轉變有關。
在離恒星非常近的地方，在高于1400開爾文的溫度條件下，矽酸鹽化合物是氣态的，因為那裡的溫度實在太高了，它們不可能以其他狀态存在。當然，這也意味着，行星不可能在這樣一個高溫區域中形成。在這個溫度下，矽酸鹽化合物會升華，也就是說，任何矽酸鹽氣體會直接轉變到固态。這處壓力颠簸為行星的形成定義了一個整體的内邊界。
到了較遠的地方，在170開爾文的條件下，會出現一個水蒸氣到水冰的過渡，它被稱為水雪線。
而在更低的溫度下，也就是30開爾文時，則會有一氧化碳雪線，低于這個溫度時，一氧化碳就會形成固體的冰。
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這對行星系的形成又意味着什麼？許多早期模拟已經顯示了這種壓力颠簸是如何促使星子的形成的。
行星形成過程的起點是塵埃顆粒。這些顆粒往往聚集在壓力颠簸的低壓區域，一定大小的塵粒會向内（向着恒星的方向）漂移，直到它們被颠簸内部邊界處的高壓擋住了去路。
随着壓力颠簸處顆粒濃度的增加，特别是（傾向于聚集的）固體物質和（傾向于推開顆粒的）氣體的比例提高，這些顆粒就更容易形成大小在幾毫米到幾厘米之間的“礫石”，也就是一種固體集合，然後這些礫石也更容易繼續聚內建更大的物體。
但仍未解決的問題是，這些子結構在行星系的整體形狀中的作用，比如我們所在的太陽系，它具有岩石、帶内類地行星和帶外氣态行星的分布特點。這就是新研究所要解決的問題。
模拟内太陽系
在尋找答案的過程中，科學家結合了幾個模拟，它們涵蓋了行星形成的不同方面和不同階段。
具體來說，天文學家建構了一個氣體盤的模型，它在矽酸鹽變成氣體的邊界以及水和一氧化碳雪線處有三處壓力颠簸。然後，他們模拟了塵粒在氣體盤中的生長和碎裂方式以及星子的形成。
模拟中一個有趣的問題是這樣的：如果初始設定稍有不同，最終的結果是否仍然類似？了解這類變化對于了解哪些成分是模拟結果的關鍵非常重要。團隊是以分析了一系列不同的情景，其中成分性質和原行星盤的溫度曲線各不相同。
這些結果表明，我們太陽系的出現與其原行星盤的環狀結構之間有着非常直接的聯系。正如預期的那樣，在這些模型中，星子在壓力颠簸處附近自然形成。
對于模拟的内行星系的部分，研究人員确定了形成類似于太陽系的正确條件。如果最靠内的（矽酸鹽）壓力颠簸之外的區域包含大約2.5個地球品質的星子，這些星子将成長為火星大小的天體，這與太陽系的帶内行星一緻。
更大品質的盤，或者形成星子的效率更高，反而會導緻超級地球的形成，也就是更大品質的岩質行星。這些超級地球将圍繞着宿主恒星更近的軌道運作，就在那個最内層的壓力颠簸邊界的上方。
這處邊界的存在也可以解釋為什麼沒有比水星更靠近太陽的行星，因為必需的物質在離恒星那麼近的地方會被蒸發掉。
這裡的模拟結果同樣可以解釋火星和地球及金星的化學成分略有不同的原因。在模型中，地球和金星從比地球目前的軌道更靠近太陽的區域收集了大部分物質，這些物質将形成它們的主體。不一樣的是，模拟中的“類火星”則主要由來自離太陽稍遠的區域的材料構成。
小行星帶、巨行星和柯伊伯帶
在火星軌道之外，模拟顯示的區域中物質開始變得更稀少，在某些情況下，甚至可能完全沒有星子，這就是我們太陽系如今小行星帶的前身。
然而，一些來自帶内或者帶外附近區域的星子後來會闖入小行星帶的區域并被困在那裡。當這些星子發生碰撞時，産生的較小碎片就将形成如今所見的小行星。
這些模拟甚至能夠解釋不同的小行星群的出現。天文學家所稱的S型小行星，也就是主要由二氧化矽構成的天體，是源自火星周圍區域的雜散天體的殘餘物，而主要含碳的C型小行星，是來自小行星帶外的雜散天體的殘餘物。
而在更靠外的區域中，也就是在标志着水冰存在極限的壓力颠簸之外，模拟還顯示了巨行星形成的起點。靠近該邊界的行星邊緣通常具有地球品質的40到100倍的總品質，與我們太陽系中巨行星（木星、土星、天王星和海王星）的核的總品質估計一緻。
最後，模拟還可以解釋最後一類天體及其特性，也就是所謂的柯伊伯帶天體，它們在最外層的壓力颠簸之外形成。它也能告訴我們已知的柯伊伯帶天體之間在成分上的細微差别。
相對罕見的太陽系
總的來說，廣泛的模拟帶來了兩種基本結果。
第一種是，水冰雪線處的壓力颠簸很早就形成了，在這種情況下，行星系的内外區域在最初的十萬年内就已經分道揚镳。這導緻在帶内區域形成了低品質的陸地行星，這非常類似于太陽系發生的情況。
第二種是，如果水冰雪線的壓力颠簸形成的時間比這要晚，或者沒有那麼明顯，更多的品質就能漂移到帶内區域，反而導緻内行星系中超級地球或超小海王星的形成。
從目前對系外行星系的觀測證據來看，第二種情況反而更有可能，而我們太陽系則是相對罕見的行星形成結果。
探索更廣泛的區域
在這項研究中，天文學家研究的重點是内太陽系和類地行星。下一步，他們希望運作模拟，囊括外太陽系的更多細節，比如木星、土星、天王星和海王星。研究的最終目标是得到一個有關太陽系和其他行星系的特性的完整解釋。
至少對于内太陽系來說，我們現在知道，地球和它最近的鄰接行星的關鍵屬性可以追溯到一些相當基本的實體學，也就是在圍繞着年輕太陽的氣體和塵埃的旋動盤中，水冰和水蒸氣之間的邊界及相關的壓力颠簸。
#創作團隊：
編譯：M ka
排版：雯雯
#參考來源：
https://www.mpia.de/5793300/news_publication_18027576_transferred
https://nautil.us/blog/planets-are-born-from-dust-trap-rings
#圖檔來源：
封面：Pixabay
文首圖：Pixabay