太阳系简史：核吸积模型揭示巨行星形成

为什么固态行星在外太阳系会生长得比靠近太阳的行星大？这里面有两个原因。第一个原因是，太阳星云外缘温度较低，会令物质结冰。这些结冰体包括普通的水冰和冰冻的氨及二氧化碳，以及冰点更低的甲烷及一氧化碳。结冰体的存在意味着，太阳星云外缘可以用于组成行星的物质是内部的大概两倍。

另一个原因更加微妙。通过第9章，我们知道发育中的行星胚胎一般会将引力俘获区（指行星胚胎轨道附近的区域，在该区域内，行星胚胎的引力比太阳引力强）的物质清空。在太阳系外缘，行星胚胎的引力范围比靠近太阳时更大，因为在外太阳系，太阳的引力已经减弱。

在行星形成的寡头式生长期，在较大引力俘获区和更多冰冻固态物质的共同作用下，木星轨道附近的行星胚胎比那些靠近地球的行星成长得更大。寡头式生长期结束后，太阳星云内侧最大的行星也许只有月球或火星一般大，而位于今天木星和土星位置的行星胚胎，则可能已经长到地球质量的10倍。

当行星胚胎成长到和火星一般大小时，它们的引力足以把附近的太阳星云的气体挤压到周围。事实上，行星胚胎周围形成了一层广阔的弥散的大气。这个大气只是暂时的——如果太阳星云突然消散，它也会一同消失。但是，大气存在的时候，它对年轻行星的成长扮演着重要的角色。许多掠过行星胚胎固态表面的星子会穿过它们的大气，行星胚胎的大气减慢了星子的速度，最后星子在行星胚胎的引力作用下被俘获，最终撞向行星胚胎的表面。因此，行星胚胎的大气实际上可以大大加快它的成长速度。

行星胚胎大气层里的气体数量取决于行星胚胎向内的引力和气体对外的压力两者的平衡。随着行星胚胎越来越大，它的引力随之增大，大气的密度和重量也会增加。但是，这种平衡无法永远持续下去。简单计算表明，行星胚胎的质量一旦超过某个临界数值，它受到的引力将大到压力无法抵抗。因此，当到达这个点时，太阳星云里的气体就会开始流向行星。行星胚胎于是成了一个有气体包层的固态核心，这个气体包层会一直变大，直到不再有气体流入。

行星的包层的增长速度部分取决于它将热量以辐射的形式散掉的能力。热量以红外线辐射的形式逃逸，使包层冷却收缩，从而使更多物质流进来。但流入的物质也有反作用，它释放的能量使包层升温，造成包层膨胀，气体吸积过程因此被减慢。包层里尘埃粒子的存在减少了气体的透明度，从而减少了红外线辐射的逃逸量。流入的气体还携带着一些尘埃粒子并在包层里停留了一段时间。被行星引力吸引的星子在穿过包层时被附近气体的气动力撕裂成碎片，形成了新的尘埃粒子。最终，这些尘埃粒子聚合成了更大的颗粒并沉入行星内部，但它们很快就被新的颗粒取代了。

行星包层的颗粒特性以及辐射热量的困难说明了气体在最初是缓慢流入的。计算机模拟表明，大概100万年之后，包层的质量才达到和行星中心的固态核一样。但在此之后，包层的增长速度会急剧加快。行星开始经历一个迅速的气体吸积阶段，在10000年内就能达到木星的质量。(www.xing528.com)

那么问题来了：为什么木星到了这个大小就不再变大？造成流入气体减少或不再流入的原因有以下几个。第一，行星吸积气体的速度不可能超过周围星云给它提供气体的速度。一旦行星周围的气体被耗尽，星云其他地方的气体就要经过一段时间后才能补充上来。第二，即使太阳星云里的气体是高度流动的，行星的引力也可以暂停它自身的增长。体积和木星一般大小的行星，它们的质量产生的引力会强到影响周围的物质。木星和太阳的引力合起来可以将木星轨道附近的一个环形区域清空，很像土星环里卫星清空的区域。太阳星云里一旦出现空隙，位于该空隙中的行星的气流流入就将被切断。太阳星云一旦消散，巨行星就无法再增长。

核吸积模型可以自然地解释木星和土星这两种气态巨行星的许多特点，但冰质巨行星就比较难理解了。天王星和海王星包层里的氢气和氦气的质量相对较小，只相当于几个地球的质量。有可能它们形成之时太阳星云已经濒临消亡，而当它们刚刚开始吸积时太阳星云就刚好消散了。但开始吸积的时间在这里不太重要，因为气体吸积在早期比较缓慢，所以在相当长的时间内，行星可以一直保持着和天王星、海王星一般大小。

更棘手的问题是，天王星和海王星里的固态核是怎么生长到如今那么大的。行星的增长速度随着和太阳距离的增加而急剧减慢，一个原因是太阳系外缘位置所对应的太阳星云比较稀薄，另一个原因是那里的行星移动的速度比较慢，所以碰撞事件不那么频繁。木星内核的形成可能最多花了几百万年，而在海王星今天位置要想形成大小和木星相似的天体则需要数十亿年时间，这比太阳星云存在的时间还长，这就意味着等到海王星长到足够大可以吸积气体时，太阳星云的所有气体都已经消散干净了。天王星的情况则没那么严重，但还是很难弄清楚它是如何在太阳星云消散前形成的。

出于这个原因，大部分科学家都认为冰质巨行星刚形成时离太阳比较近。4个巨行星初形成时应该都离彼此比较近，只是后来其他事件改变了它们的轨道。该过程很可能和剩余星子的引力相互作用有关，这点我们会在第14章说到。行星的形成效率很低，可能有几十个和地球质量相当的小天体未能构成四大巨行星之一。这些星子每次经过巨行星，它们的引力相互作用就会将较小的天体甩到离它们轨道很远的地方，同时将行星的轨道推向相反的方向。这些星子许多最终都去往奥尔特云或被完全驱逐出太阳系。

计算机模拟显示，这些相互作用很可能使木星从原来的地方往太阳靠近了零点几个天文单位，而土星、天王星和海王星的轨道则往外移，其中海王星很可能向外移动了15天文单位。这一转变的大部分时期可能是渐变的。但也可能存在快速变化的时期，给太阳系的其他部分也带来了急剧的变化。

土星为何在成长到木星般大小前就停止生长，其中的原因我们还不完全清楚。质量和土星差不多的行星应当会很快继续吸积气体。土星可能曾经在太阳星云里已清除出一个空隙，但它的引力只够清除掉它周围的气体。一些气体还是可以穿过空隙流入土星的（如果当时只有土星一个巨行星的话），但在那时木星很可能已经完全形成了。计算机模拟表明，木星和土星的引力加起来可以将它们周围的区域完全清空，特别是在它们之间的距离比今天更近的情况下。从土星近亲的存在可以看出，它可能提前停止了生长。