加州理工学院 | 岩石行星究竟是如何形成的?

在我们的太阳系中，有两种不同类型的行星:距离太阳最近的较小的岩石内行星和距离太阳较远的较大的富含水和氢的气体巨行星。在2021年底发表在《自然天文学》杂志上的一项早期研究中，这种二分法导致Morbidelli、Batygin和同事们认为，我们太阳系的行星形成发生在原行星盘的两个不同的环中:一个是由小型岩石行星形成的内环，另一个是由更大质量的冰行星形成的外环(其中两个——木星和土星——后来发展成为气体巨星)。

超级地球，顾名思义，比地球还要大。有些甚至有氢大气层，这使它们看起来几乎像气体巨星。此外，它们的轨道经常靠近它们的恒星，这表明它们是从更远的轨道迁移到现在的位置。

莫比德利说:“几年前，我们建立了一个模型，超级地球在原行星盘的结冰部分形成，并一路迁移到盘的内缘，靠近恒星。”该模型可以解释超级地球的质量和轨道，但预测所有超级地球都富含水。然而，最近的观测表明，大多数超级地球都是由岩石组成的，就像地球一样，即使被氢大气层包围。这是对我们旧模式的死刑判决。”

在过去的五年里，这个故事变得更加奇怪，因为科学家们——包括加州理工学院天文学教授安德鲁·霍华德领导的团队;圣母大学(University of Notre Dame)助理教授Lauren Weiss;Erik Petigura和Erik Petigura(前加州理工学院天文学博士后学者，现加州大学洛杉矶分校教授)研究了这些系外行星，并有了一个不寻常的发现:虽然存在各种各样的超级地球，但在一个行星系统内的所有超级地球在轨道间距、大小、质量和其他关键特征方面趋于相似。

“劳伦发现，在一个行星系统中，超级地球就像‘豆荚里的豌豆’，”霍华德说，他与Batygin-Morbidelli的论文没有直接联系，但他审阅了这篇论文。“你基本上有一个行星工厂，只知道如何制造一种质量的行星，它只是一个接一个地把它们喷射出来。”

那么，是什么单一的过程产生了太阳系中的岩石行星，同时也产生了岩石超级地球的统一系统呢?

Batygin说:“答案原来与我们在2020年发现的、但没有意识到适用于更广泛的行星形成的东西有关。”

2020年，Batygin和Morbidelli提出了木星四颗最大卫星(木卫一、木卫二、木卫三和木卫四)形成的新理论。从本质上讲，他们证明了，对于特定大小范围的尘埃颗粒，将颗粒拖向木星的力和将这些颗粒带向外的气流的力(或夹带)完全抵消了。这种力量的平衡创造了一个物质环，构成了后来形成月球的坚实基石。此外，该理论还表明，由于气体驱动的迁移，天体会在环内生长，直到它们足够大才能离开环。在那之后，它们停止生长，这就解释了为什么这个过程会产生相似大小的身体。

在他们的新论文中，Batygin和Morbidelli提出，在恒星周围形成行星的机制在很大程度上是相同的。在行星的情况下，固体岩石物质的大规模集中发生在圆盘上一个狭窄的带，称为硅酸盐升华线——在这个区域，硅酸盐蒸汽凝结形成固体的岩石卵石。“如果你是一粒尘埃，你会在圆盘中感受到相当大的逆风，因为气体的轨道速度要慢一些，你会朝着恒星旋转;但如果你是蒸汽，你只是和膨胀盘里的气体一起向外螺旋。所以你从蒸汽变成固体的地方就是物质积累的地方。”Batygin说。

新的理论认为这个带可能是“行星工厂”的所在地，随着时间的推移，可以产生几个相似大小的岩态行星。此外，当行星变得足够大时，它们与圆盘的相互作用将倾向于将这些世界向内吸引，更接近恒星。

Batygin和Morbidelli的理论得到了大量计算机建模的支持，但他们的理论始于一个简单的问题。“我们研究了现有的行星形成模型，知道它不能再现我们所看到的，并问道，‘我们认为什么断言是理所当然的?’”Batygin说。“诀窍在于，要看那些每个人都认为是真的，但却没有充分理由的东西。”

在这种情况下，假设固体物质分散在原行星盘中。Batygin说，通过抛弃这一假设，转而假设第一个固体以环的形式形成，新理论可以用一个统一的框架来解释不同类型的行星系统。

如果岩石环含有大量质量，行星就会不断生长，直到它们远离岩石环，从而形成一个类似超级地球的系统。如果环的质量很小，它产生的系统看起来更像我们太阳系的类地行星。

霍华德说:“我是一名观察者和仪器制造商，但我非常密切关注文献。”“我们会定期收到一些微不足道但仍然很重要的捐款。但每隔五年左右，就会有人做出一些东西，在该领域产生翻天覆地的变化。这就是其中一份文件。”

这篇论文题为《从狭窄的星子环中形成岩石超级地球》。支持这项研究的资金来自加州理工学院，天文台de la Côte d’azur，大卫和露西尔帕卡德基金会，国家科学基金会和欧洲研究委员会。