一位艺术家将一颗被原行星盘环绕的恒星的再现

在我们太阳系的早期，建造一颗行星的最快方法可能是通过小的身体，而不是巨大的，相互碰撞。

大约45亿年前，太阳系是一个充满行星学步儿童的托儿所。在年轻的太阳周围，围绕着太阳系诞生时遗留下来的气体和尘埃。在轨道圆盘上布满了行星，岩石的物体大约有1到100公里宽，而更大的原行星大约有1000公里宽。这就好像一群不同大小的孩子被关进了同一个房间。就像任何托儿所一样，这里是一个吵闹的地方。星星嗖嗖地飞过，偶尔撞到一起。灰尘和岩石的碎片在灾区疾驶而过。这花了几百万年的时间，才使得学龄前的混乱局面得以稳定下来，而今天的大部分行星都将出现。

科学家们过去认为，行星形成的行星碰撞和融合，就像一把橡皮泥一样被打在一起。但事实证明，这个过程可能会花费太长时间。因此，天文学家最近提出了一种新的方法来解释行星的生长情况。计算机模拟显示，在尘埃盘内的小卵石将会被不断增长的原行星所覆盖。这些微小的卵石聚集得如此之快，以至于原行星迅速成长为成熟的行星——就像一个孩子突然装上了足够的体重，变成了一个成年人。

这一理论被称为“鹅卵石吸积”，正在重塑科学家对早期太阳系的看法。它还开辟了新的研究方向，例如探索行星如何围绕太阳以外的恒星形成。“你可以轻松快速地形成这些身体，”瑞典隆德大学的天文学家Michiel Lambrechts说，他也是这一理论的作者之一。“鹅卵石的增长为许多问题提供了解决方案。”

在这些问题中，最主要的问题是，在布满灰尘的圆盘耗尽了制造它们所需的原材料之前，行星是如何形成的。模型显示，在大约100万到1000万年的时间里，这个圆盘将会被清除掉，因为它的气体蒸发了，它的尘埃变成了新生太阳的引力。最大的行星，如木星和土星，在圆盘消失之前，以某种方式将大约10个地球质量的核心聚集在一起。从行星上制造行星可能会花费太长时间，因为行星上的行星通常会在没有被引力捕获的情况下经过一个小行星。

另一方面，小鹅卵石很容易被原行星的引力捕获，它们的积累可以在几百万年左右的时间里建造一个行星。天文学家知道这些鹅卵石的存在，因为他们已经看到它们围绕着幼恒星运行。通过射电望远镜，例如新墨西哥索科罗附近的大型阵列望远镜，通过无线电波长的材料发光，测量了原行星盘中粒子的大小。这些圆盘通常包含大量的鹅卵石——在某些情况下，相当于数百个地球质量慢慢地向恒星漂移。

当较小的尘埃颗粒碰撞并合并时，鹅卵石就形成了。“圆盘上的大部分尘埃变成了鹅卵石，”隆德大学的天文学家安德斯约翰森说，他也是该理论的另一位作者。他把原行星盘称为“卵石工厂”。

大约在2010年，约翰森和兰布雷奇开始思考这些卵石是如何与行星诞生的。他们开始了一系列的计算，关于鹅卵石如何与漂浮在原行星盘上的其他大的碎石碎片相互作用。令他们吃惊的是，约翰森和兰布雷奇发现，鹅卵石可以迅速地在原行星上看到。

关键是摩擦。想象一下，一束由100公里宽的原行星组成的小石子。当鹅卵石在圆盘内犁入气体时，摩擦力使它们的速度减慢，足以被原行星的重力场捕获。卵石开始在较大的岩石周围循环，很快就会撞到它的表面。每一次碰撞都增加了一点质量——随着足够多的碰撞，原行星迅速成长，达到1000公里或更远。Lambrechts说：“在很多方面，鹅卵石的吸积是向身体添加质量的最有效方式。”

Lambrechts说，如果一个原行星盘包含等量的岩石，一半在行星上，一半在鹅卵石中，那么这些鹅卵石就会比星子的质量高出1000倍。他和约翰森在2012年开始的一系列论文中报告了他们最初的想法，并在去年的地球和行星科学年度回顾中发表了一篇概述。

卵石的增加有助于解释许多关于太阳系的特征。首先，美国宇航局的朱诺号宇宙飞船，现在环绕木星运行，发现这个气态巨行星的核心比科学家们预想的要大得多，也更分散。约翰森说，这可能意味着pebble的增长正在发挥作用，这是在尘埃盘消散之前，建立一个大的核心的唯一方法。

卵石的增加也说明了天王星和海王星是如何形成的。令人困惑的是，这些冰巨行星以大核开始，但并没有像木星和土星那样，用大量的气体把自己包裹起来。小木星和小土星最终到达了一个叫做“卵石隔离质量”的点，在那里它们足够大，可以在周围的气体中产生一个压力隆起，从而推开任何接近的鹅卵石。一旦它们停止吞噬卵石，木星和土星就开始吸收气体。相比之下，天王星和海王星从未到达过鹅卵石隔离层，后者随着轨道距离的增加而增加。他们变成了冰巨星，而不是气态巨行星。

在太阳系之外，卵石的增加解释了诸如大行星如何在离恒星很远的地方形成的奥秘。例如，年轻的恒星HR 8799，距离地球约129光年，有4颗比木星大的行星，其轨道距离地球到太阳的距离是68倍（相比之下，木星的轨道大约是地球-太阳距离的5倍）。约翰森和Lambrechts的计算机模拟显示，这些行星可能已经开始向更远的地方发展，并将卵石卷走，随着它们向当前的轨道旋转，它们的体积越来越大。整个过程可能发生在原行星盘的生命周期中。这在旧的场景中是不可能发生的，因为在这些遥远的距离上，没有足够的行星来有效地吸收。

一个大问题仍然没有答案：最初的原行星从何而来？一种可能是被称为“雪线”的地方——距离一颗液态水冻结的恒星的距离。在那里，灰尘和鹅卵石经历了它们的物理属性的转变，因为它们从潮湿变成了干燥。它们开始聚集在一起，不像在恒星周围的其他部分，可以形成大块的大块，作为行星的种子，让其他的鹅卵石在上面生长。

苏黎世大学的天体物理学家乔安娜德科斯卡说，这使得“雪线”成为第一批原生行星诞生的好地方。她最近在天文学和天体物理学杂志上发表了这一观点。一旦这些初始的原行星被建立起来，它们就可以开始在圆盘上吞噬鹅卵石了。

这种情况可能发生在地球上最著名的行星系统之一：环绕恒星TRAPPIST-1的7颗地球大小的行星，距离地球39光年，位于宝瓶座。阿姆斯特丹大学的天文学家Chris Ormel和他的同事们最近计算出，原行星开始在恒星周围的雪线上形成，然后通过吸收卵石迅速生长。这些新生的行星以地球的大小而停止，因为它们的引力影响了周围的圆盘。“这个特殊的系统很难用经典的概念来解释，”奥梅尔说，但是鹅卵石的增长可以做到这一点。Lambrechts说，随着天文学家们在其他恒星周围发现越来越多的行星，鹅卵石的增加可以帮助他们了解发现的行星类型是如何进化的。“它使所有的行星形成更加动态。”