金牛座HL行星系的快速形成速度与固态物质的作用

开普勒空间望远镜和地基望远镜发现的行星大部分都形成于数十亿年前，但是天文学家最近得到了一张比它们年轻许多的天体——原行星盘的特写照片。这些围绕在年轻恒星周围的气体尘埃云就是行星孕育和成长的地方。该照片是由阿塔卡马大型毫米波阵（Atacama Large Millimeter Array，简称ALMA）拍得的，它是多个国家的研究机构在智利合作建造的一组以拍摄高清晰影像为目的的射电望远镜阵列。一些原行星盘，比如金牛座HL周围的原行星盘里，存在一些物质被清空后留下的环状空隙。存在单个空隙的原因尚且可以用该位置的气体或尘埃的性质发生改变来解释，而多个空隙的存在则暗示着它们可能是初生的行星系。在这个初生的行星系里，每个行星都在清除它们轨道周围的物质。

金牛座HL原行星盘里的空隙距离金牛座HL约数十天文单位远。待形成后，金牛座HL的行星系可能会比较类似2008年发现的HR 8799系统。HR 8799系统由4颗巨行星组成，每颗的质量都比木星大，最外围那颗的轨道大小是海王星的两倍。金牛座HL行星系与它大小相似，而且非常年轻，年龄只有100万年左右，这意味着它的行星的形成速度极快。模拟行星形成过程的研究人员发现，用常规方法很难模拟出这种在远离其恒星处运行的巨行星的形成过程。这说明这里面缺少了一个关键要素，接下来我们会简单介绍一个新的概念。

天文学家也开始详细测定原行星盘的结构和成分。最新测量结果显示，和一直以来所预想的一样，原行星盘里的气体处于湍流状态。这种状态是一些描述尘粒如何构成原行星（大小类似小行星的构成行星的天体）理论模型的关键因素。如果得到证实，这一发现应该可以帮助研究者完善理论。天文学家也开始寻找“雪线”的证据，雪线是指盘里一个温度刚刚可以使冰冻物质从气态转化为固态的特殊位置。过多固态物质的存在使雪线成为行星快速发育的主要场所之一。

一项令人吃惊的发现表明，原行星盘里气体和尘埃区域的大小通常不一样，气体向外延伸的范围比尘埃的大。研究人员认为尘埃在盘刚形成时应该和气体充分融合，这就意味着尘埃是之后才与气体分开的。最可能的解释是，尘埃在拖拽力的持续作用下慢慢朝恒星的方向下落，最外面的尘埃的下降速度最快。由于行星是由固态粒子构成的（即便是气态巨行星，也被认为是由固态行星演变而来的），尘埃的分布情况决定了行星系的大小。在太阳的原行星盘（太阳星云）中，尘埃很可能也向内移动了，这就可以解释为什么柯伊伯带外侧拥有清晰的边界。

本书提过的最奇特的天体之一——塞德娜小行星就位于远离此清晰边界的地方。塞德娜小行星在海王星以外沿着一个极度扁长的椭圆轨道运行，从来没有靠近过任何一颗行星。最近，科学家发现了几颗和它类似的天体，因此了解这些天体的需求变得更加迫切了。刚开始我们认为塞德娜的轨道是由发生在太阳系早期的事件造成的。然而，类似的天体与它一致的轨道表明，事情也许没有那么简单。它们之所以形成这样的轨道，也许是因为受到一颗离太阳几百天文单位的未知大行星的引力拉拽所致。如果被证实，这将会是一个了不起的发现。

分析并理解这一系列令人费解的发现需要一定的时间，研究解释行星形成和演化的理论模型的人员也正在拼命追赶新发现的步伐。目前，这些新发现还无一表明我们需要摒弃本书提到的有关行星形成的基本描述，即行星是从大量尘埃粒子偶然碰撞后越变越大而形成的。虽然基本理论框架不变，但研究人员可能需要修改这个猜想的一些细节。(www.xing528.com)

最近，有这样一个观点赢得了广泛关注：鹅卵石在太阳系以及其他行星系的行星形成过程中，扮演了极其重要的角色。鹅卵石在这里的定义比较宽泛，长度在1毫米到1米大小之间的任何物体都可以被称为鹅卵石。实验室实验表明，尘埃粒子相撞时很容易聚合在一起形成鹅卵石，但却很难再变大。通过它们发出的红外辐射，科学家发现，原行星盘里也存在着鹅卵石大小的粒子，而且数量相当多，甚至占据了盘中固态物质的绝大多数，这点颠覆了以往的认识。

鹅卵石在原行星盘里的大量存在说明了两件事。其一，鹅卵石在湍流气体里穿行时会自然地积累到一起形成致密的团块，再在它们共同引力的作用下收缩形成星子。（这是上面说湍流的发现具有重大意义的原因之一。）其二，由于行星自身引力和周围气体拖拽力的共同作用，大型星子清空鹅卵石的速度会更快。鹅卵石吸积过程非常高效，一般几百万年内（相当于普通原行星盘的存在时间）就可以形成和木星一样大的巨行星。

最新的计算机模拟结果发现，许多由鹅卵石演变而来的星子直径都在100千米左右。这个大小刚好也是目前主小行星带、柯伊伯带和巨行星外围卫星分布的峰值。它们被认为是太阳系形成后剩下的星子，也为鹅卵石理论提供了支撑。

大颗的鹅卵石最容易形成星子，因为它对拖拽力的反应很强烈，但这类鹅卵石的存在时间很短暂，它们通常以极快的速度和螺旋的路径向太阳运动，很快就蒸发了。这说明，星子极有可能形成于在原行星盘生命的头10万年里，这一猜测与研究者在研究来自小行星的陨石里放射性物质的衰变情况后得出的猜测如出一辙。相比起来，毫米大小的小鹅卵石却可以存在数百万年之久。因此，它们会继续被星子清空，直到原行星盘消失为止。这就可以解释为什么陨石中含有大量毫米大小的粒状体。至少有一组陨石样本支持了这个两期形成过程。这些陨石的母体的年代都很久远，它们熔化后形成一个富含铁的核并产生一个短暂的磁场。从我们手头的陨石中含有大量粒状体推测，它们必定来自星子的外层，但是它们却带有来自该星子内核的磁场的印记。

研究者以前就知道，如果行星形成后原行星盘还没有消失，它的引力拉拽会驱使行星向恒星迁徙。从这个角度来看，系外行星的短轨道周期正好佐证了这一理论。但是，早期的计算机模拟发现，行星的迁移速度极快。如果这些模型反映的是真实情况，那么几乎所有行星都会很靠近它们的恒星，甚至相撞。实际上，太阳系的行星以及很大一部分系外行星的轨道周期都很长。直到现在，这个问题依旧是一个活跃的研究领域。但最近的计算机模拟发现，原行星盘里存在着一些特殊区域，当行星运行到那些区域时，它们的迁徙速度会变慢，甚至停止。那里是年轻行星的庇护所，它们可以一直在里面存在，直到恒星的原行星盘消散为止。