超級(jí)地球是怎樣形成的？

行星系統(tǒng)的生命周期開(kāi)始于一個(gè)巨大的塵埃和氣體盤(pán)——原行星盤(pán)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)是經(jīng)過(guò)大約幾百萬(wàn)年形成的。在一個(gè)恒星—行星系統(tǒng)中，恒星是中心，大部分氣體都向著恒星聚集，而塵埃等固態(tài)物質(zhì)緩慢聚合成小行星、彗星、行星及衛(wèi)星。

太陽(yáng)系中的情況

在太陽(yáng)系中，有兩類不同的行星：較小的是內(nèi)行星，它們多由巖石構(gòu)成，都靠近母恒星——太陽(yáng)；較大的是外行星，它們富含水和氫氣，都遠(yuǎn)離太陽(yáng)。在2021年初發(fā)表的一項(xiàng)研究中，兩位科學(xué)家根據(jù)這種雙分法認(rèn)為，太陽(yáng)系行星形成于兩個(gè)不同的原行星盤(pán)：其中一個(gè)是內(nèi)行星盤(pán)，內(nèi)行星就形成于這個(gè)行星盤(pán)；另一個(gè)是外行星盤(pán)，它們催生出了含冰且個(gè)頭巨大的外行星，其中兩顆行星——木星和土星后來(lái)演變成了氣態(tài)巨行星。

太陽(yáng)系中的行星們（示意圖）

一個(gè)模型被否定

在迄今發(fā)現(xiàn)的5000多顆太陽(yáng)系外行星中，31%屬于超級(jí)地球。正如其名，超級(jí)地球的質(zhì)量比地球大，而且大好幾倍，甚至更大，其中一部分超級(jí)地球甚至有氫氣大氣層，因此它們看上去很像氣態(tài)巨行星。此外，它們常被發(fā)現(xiàn)近距離環(huán)繞其母恒星。上述兩位科學(xué)家推測(cè)，超級(jí)地球原本位于遠(yuǎn)離母恒星的軌道中，但后來(lái)逐漸遷徙到靠近母恒星的地方。

超級(jí)地球當(dāng)然與地球不同。那么，超級(jí)地球是怎么形成的？多年前，這兩位科學(xué)家建立了這樣一個(gè)模型：超級(jí)地球在原行星盤(pán)中的含冰區(qū)域形成，然后一路遷徙到靠近母恒星的原行星盤(pán)內(nèi)沿。這個(gè)模型能解釋超級(jí)地球的質(zhì)量和軌道，但又預(yù)測(cè)超級(jí)地球都富含水。而最近的觀測(cè)表明，哪怕?lián)碛袣錃獯髿鈱?，大多?shù)超級(jí)地球仍然像地球一樣主要由巖石構(gòu)成。因此，這個(gè)模型不成立。

系外行星（想象圖）

答案可能早就有了

過(guò)去五年里，科學(xué)家們?cè)谔綔y(cè)超級(jí)地球的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了超級(jí)地球更奇特的一點(diǎn)：雖然超級(jí)地球類型多樣，但只要是位于同一個(gè)恒星—行星系統(tǒng)內(nèi)的多顆超級(jí)地球，其在軌道間隔（軌道與母恒星之間距離）、大小、質(zhì)量及其他主要特征方面都近似，就好像它們是由同一家“行星工廠”生產(chǎn)出來(lái)的。那么，一個(gè)什么樣的過(guò)程能既生成像太陽(yáng)系里那樣的巖石行星（內(nèi)行星），又能形成形制同樣堪稱整齊劃一的超級(jí)地球？

答案可能早在2020年就被上述兩位科學(xué)家找到了，只不過(guò)他們當(dāng)時(shí)沒(méi)料到這個(gè)答案可推廣至系外行星的形成。

木星的四大衛(wèi)星（示意圖）

先解釋四大木衛(wèi)

回到2020年，當(dāng)時(shí)上述兩位科學(xué)家提出了有關(guān)木星的四大衛(wèi)星（木衛(wèi)一艾奧、木衛(wèi)二歐羅巴、木衛(wèi)三加尼美得、木衛(wèi)四卡利斯托，它們的特征相近）成因的一種新理論。事實(shí)上，與其說(shuō)這是一種理論，不如說(shuō)他們證明了這一點(diǎn)：對(duì)一定大小范圍內(nèi)的塵埃顆粒來(lái)說(shuō)，把它們朝著木星拖曳的力量與氣體流把它們帶到遠(yuǎn)離木星處的力量相互完美抵消。這種力量的平衡創(chuàng)生了一條物質(zhì)環(huán)，環(huán)中物質(zhì)最終聚集成了四顆大木衛(wèi)。

該理論還認(rèn)為，這些大木衛(wèi)不斷長(zhǎng)大，最終大到能在氣體驅(qū)動(dòng)的遷徙作用下脫離物質(zhì)環(huán)。此后，這些大木衛(wèi)停止生長(zhǎng)。這樣就能解釋為什么這四大木衛(wèi)特征相近。

太陽(yáng)系外的原行星盤(pán)（想象圖）

“行星工廠”所在地

上述兩位科學(xué)家在最近的一篇新論文中又提出，恒星周圍的行星形成機(jī)制與此大同小異。對(duì)行星來(lái)說(shuō)，固態(tài)巖石物質(zhì)的大規(guī)模聚集出現(xiàn)在原行星盤(pán)中一條窄窄的物質(zhì)帶——硅酸鹽凝華線（相當(dāng)于創(chuàng)生四大木衛(wèi)的物質(zhì)環(huán)）上。在這個(gè)區(qū)域中，氣態(tài)硅酸鹽凝華形成石塊。他們解釋說(shuō)，在原行星盤(pán)中氣體的環(huán)繞速度較慢，塵埃顆粒的環(huán)繞速度則較快，因此塵埃顆粒在“逆風(fēng)”狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)著接近恒星；反之，蒸氣旋轉(zhuǎn)著，隨著不斷擴(kuò)展的原行星盤(pán)中的氣體一道向外而去；于是，物質(zhì)聚集地就是從氣體過(guò)渡到固體的地方——硅酸鹽凝華線。

這兩位科學(xué)家認(rèn)為，硅酸鹽凝華線很可能就是“行星工廠”所在地。隨著時(shí)間推移，“行星工廠”造就了多顆大小近似的巖石行星。不僅如此，隨著行星質(zhì)量越來(lái)越大，它們與原行星盤(pán)之間的相互作用容易讓它們逐漸靠近母恒星。

新理論可信度高

這種新理論其實(shí)始于這兩位科學(xué)家對(duì)現(xiàn)有行星成因模型的調(diào)查。他們發(fā)現(xiàn)這些模型都無(wú)法解釋超級(jí)地球之間的相似性，而且這些模型都假設(shè)固態(tài)物質(zhì)在原行星盤(pán)中到處都分布。他們提出的新理論則摒棄這種假設(shè)，而是假設(shè)首批固態(tài)物質(zhì)——行星胚胎形成于原行星盤(pán)中的僅僅一部分地帶——巖石物質(zhì)環(huán)（即硅酸鹽凝華線）中。這樣就能以一種統(tǒng)一架構(gòu)來(lái)解釋不同類型的恒星—行星系統(tǒng)。尤其值得一提的是，這一新理論得到了計(jì)算機(jī)模擬的全面支持。

根據(jù)這一新理論，如果原行星盤(pán)中的巖石物質(zhì)環(huán)包含大量物質(zhì)，行星就會(huì)長(zhǎng)大到能脫離巖石物質(zhì)環(huán)的地步，由此形成彼此相近的大量超級(jí)地球。而如果巖石物質(zhì)環(huán)中的物質(zhì)較少，那么產(chǎn)生的行星就會(huì)像太陽(yáng)系中的內(nèi)行星。

這一新理論被認(rèn)為是近年來(lái)的一大突破，因?yàn)樗粌H能解釋超級(jí)地球之間的相似性，而且解釋的可信度在目前看來(lái)是最高的。

恒星—行星系統(tǒng)從誕生到成型