行星創(chuàng)世記

行星的誕生故事看似是一步步朝各階段前進的穩(wěn)定過程，但實際上卻混亂無比。

10年前，研究行星形成的科學(xué)家還只能以我們太陽系這唯一的例子作為構(gòu)建理論的依據(jù)?，F(xiàn)在他們已發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個成熟的行星系統(tǒng)，以及數(shù)十個孕育中的系統(tǒng)，用作參照的對象。其中，沒有任何兩個系統(tǒng)是完全相同的。目前主要的行星形成理論的基本概念是，行星是由微小顆粒聚積并攫取氣體而形成的。但這個概念其實跳過了許多錯綜復(fù)雜的層次，各種可能的機制間混亂的交互影響，使得各版、本的行星形成理論之間產(chǎn)生巨大的差異。

在整個敘述宇宙膨脹的偉大故事中，行星雖然只是個無足輕重的小角色，但卻是宇宙里最豐富多變且錯綜復(fù)雜的天體。沒有任何其他天體和行星一樣，同時經(jīng)歷了天文、地質(zhì)、化學(xué)與生物等各層面復(fù)雜的交互作用。宇宙中更沒有其他地方，能夠像行星一樣維持我們所知道的生命現(xiàn)象，像我們太陽系這樣的行星系統(tǒng)，在許多方面其實差異極大；而在過去10年里，即便天文學(xué)家并未特意搜索，卻已經(jīng)意外發(fā)現(xiàn)了200顆以上的行星。

這些行星具有各式各樣的質(zhì)量、大小、組成與軌道，對于想要探索它們起源的人來說，是極大的挑戰(zhàn)。20世紀(jì)70年代筆者還是個研究生時，我們認(rèn)為行星的形成是個井然有序、橫式固定的過程，就像是一條裝配線，把雜亂無章的氣盤與塵埃，制造成許多類似太陽系的行星系統(tǒng)?，F(xiàn)在，我們逐漸理解那其實是個混亂無序的過程。每個系統(tǒng)的結(jié)局截然不同。最終勝出的世界，是在創(chuàng)生與毀滅這兩種紛擾躁動、互相競爭機制下的幸存者，其中有許多行星會爆裂開，被剛誕生的恒星吞食，或者被彈射進星際深空。我們地球也許有失散多時的兄弟姐妹，正在黯淡無光的太空中飄浮流浪。

行星形成的研究涉及天文物理、行星科學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)與非線性動力學(xué)等領(lǐng)域。行星科學(xué)家已大致發(fā)展出兩種主要理論。連續(xù)吸積學(xué)說認(rèn)為，細(xì)微的塵埃顆粒會聚積成堅硬的石塊，然后吸引大量氣體，形成木星般的氣態(tài)巨行星；若沒有吸引到大量氣體，就變成類似地球的固態(tài)行星。這個理論的主要缺點是整個過程太緩慢，氣體可能在行星建構(gòu)完成前便逸散無蹤了。

另一個是重力不穩(wěn)定性學(xué)說，它認(rèn)為氣態(tài)巨行星形成于不成熟氣盤與塵埃崩解時的驟然撕裂聲中，這是一種恒星形成過程的小型翻版。這項假說仍有爭議，因為它假設(shè)必須有非常不穩(wěn)定的條件存在，而自然環(huán)境可能無法滿足這種極端條件。況且，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)最重的行星與最輕的恒星間有道鴻溝，也就是說，尺度介于兩者之間的天體非常稀少。這個不連續(xù)性意味著行星的形成并非等同于單純的小型恒星，它應(yīng)該和恒星有著全然不同的起源。

雖然研究人員尚未完全解決這個爭論，但多數(shù)認(rèn)為連續(xù)吸積學(xué)說是兩者之中較可行的理論。

星際云崩塌

時間：0(行星形成過程的起點)

我們太陽系所在的星系，是由1000多億顆恒星所構(gòu)成的。恒星間彌漫著的云氣與塵埃，大部分是前幾代恒星遺留下來的殘骸。“塵?！痹谶@里指的是凝聚在恒星外層較冷的微小冰粒、鐵以及其他固態(tài)物質(zhì)。它們在恒星死亡時被拋入星際空間中，當(dāng)云氣夠冷且夠致密時，就會因重力坍塌而形成恒星。整個過程需要10萬至數(shù)百萬年。

環(huán)繞在每一顆恒星周遭的旋轉(zhuǎn)圓盤是由剩余物質(zhì)構(gòu)成的，而那就是建構(gòu)行星的必要物資。剛形成的圓盤主要成分是氫氣與氦氣，在圓盤高溫致密的內(nèi)層區(qū)域，塵埃顆粒會被氣化，而在又冷又稀薄的外層，塵埃粒子可以幸存，并且會因為氣體凝結(jié)在它們身上而成長。

天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了許多年輕恒星的周圍環(huán)繞著這種圓盤。年齡介于100萬一300萬年的恒星具有富含氣體的圓盤；而恒星的年齡大于1000萬年時，其圓盤則貧瘠而缺乏氣體，因為氣體被剛誕生的恒星和鄰近的亮星吹散了。而在這兩段時間之間就是行星形成的時期。圓盤的重元素含量大致與太陽系行星所具有的重元素含量相當(dāng)，這提供了一個強有力的線索，證實行星的確來自于這類氣盤。

結(jié)果：新誕生的恒星周圍環(huán)繞著氣體與微米大小的塵埃顆粒。

行星盤出現(xiàn)

時間：大約100萬年

原行星盤里的塵埃顆粒會受到鄰近氣體的翻攪而與其他塵埃碰撞，有時會黏在一塊，有時則彼此分離。塵埃顆粒吸收星光后，再發(fā)射紅外光，確保熱能傳到圓盤內(nèi)部最陰暗的角落。氣體的溫度、密度與壓力隨著與恒星距離的增加而遞減。由于需顧及壓力、旋轉(zhuǎn)與重力的平衡，氣體繞著恒星的速度，會比獨立物體以同樣距離繞行的速度稍慢。

如此以來，直徑大于數(shù)毫米的塵埃顆粒速度將比氣體還快，因而遭遇逆風(fēng)使速度降低，導(dǎo)致它們朝著恒星向內(nèi)盤旋。顆粒越大，盤旋的速度就越快，顆粒的大小每增大0.3米，就可以在1000年內(nèi)將它與恒星的距離減半。

當(dāng)它們靠近恒星，顆粒的溫度會升高，最終使得水分與低沸點的揮發(fā)性物質(zhì)沸騰起來。這個現(xiàn)象發(fā)生時的距離稱為“雪線”，離恒星2個－4個天文單位。我們太陽系的雪線位置，就落在火星軌道與木星軌道之間。雪線將行星系統(tǒng)劃分為擁有固態(tài)物體但揮發(fā)性物質(zhì)稀少的內(nèi)行星區(qū)，以及富含揮發(fā)性物質(zhì)與冰冷物體的外行星區(qū)。

在雪線內(nèi)，水分子從塵埃顆粒上蒸騰之后會聚積在一塊兒，而水分的聚積則會引發(fā)一連串的效應(yīng)，使得雪線內(nèi)的氣體性質(zhì)產(chǎn)生不連續(xù)性，進而導(dǎo)致該處的壓力下降。然后，力的平衡將促使氣體加速環(huán)繞中心恒星，結(jié)果造成附近的顆粒不再感受到逆風(fēng)，反而成了令它們提升速度的順風(fēng)，因而阻止它們進一步向內(nèi)遷移。當(dāng)顆粒不斷從圓盤外層抵達時，便會堆積在雪線附近，這樣一來，雪線就變成雪庫了。

塵埃顆粒會因擠在一起彼此碰撞而成長，有些顆粒會沖破雪線，持續(xù)向內(nèi)移動，但在這個過程中，它們會吸附融雪及復(fù)雜的分子，變得更黏稠。有些地方因吸附了太厚的塵埃，使得顆粒整體的重力增加，這亦加速了它們自身的成長。

經(jīng)由這些過程。塵埃顆粒將自己包裹成直徑以千米計的物體，稱作微行星。在微行星形成的階段結(jié)束前，微行星會把絕大多數(shù)的原始塵埃清掃干凈。微行星很難直接被觀測到，但天文學(xué)家可從它們碰撞的殘骸推論出它們的存在。

結(jié)果：出現(xiàn)大量千米尺度的微行星，是建構(gòu)行星的材料。