儘管從宇宙的角度來看，行星只是微不足道的碎片——對於天體膨脹的宏大敘事而言微不足道——但行星是宇宙中最多樣化和最複雜的物體類別。沒有其他天體支援如此複雜的天文、地質、化學和生物過程的相互作用。宇宙中沒有其他地方可以支援我們所知的生命。我們太陽系的世界種類繁多，即使這樣，它們也幾乎沒有讓我們為過去十年的發現做好準備，在此期間，天文學家發現了 200 多顆行星。
這些天體質量、大小、成分和軌道的巨大多樣性挑戰了我們這些試圖理解其起源的人。當我在 20 世紀 70 年代讀研究生時，我們傾向於將行星形成視為一個井然有序、確定性的過程——一條將無定形的 газопылевых 盤變成我們太陽系副本的裝配線。現在我們意識到這個過程是混沌的，每個系統都有不同的結果。最終出現的世界是創造和破壞的競爭機制激烈競爭的倖存者。許多天體被炸裂，被送入其系統新生恆星的火焰中，或被拋射到星際空間中。我們自己的地球可能也有失散多年的兄弟姐妹在黑暗的虛空中游蕩。
行星形成的研究位於天體物理學、行星科學、統計力學和非線性動力學的交叉點。廣義上講，行星科學家已經發展出兩種主要的理論。順序吸積 сценарий 認為，微小的塵埃顆粒聚集在一起形成岩石固體核，這些核要麼吸入大量的氣體，成為像木星這樣的氣體巨星，要麼不吸入氣體，成為像地球這樣的岩石行星。這種 сценарий 的主要缺點是過程緩慢，而且氣體可能會在完成之前就消散。
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另一種引力不穩定性 сценарий 認為，氣體巨星是在 газопылевых 盤突然瓦解時形成的——這個過程在微觀層面複製了恆星的形成。這個假說仍然存在爭議，因為它假設存在高度不穩定的條件，而這些條件可能無法實現。此外，天文學家發現，最重的行星和最輕的恆星之間存在“沙漠”——中間天體的稀缺。這種脫節意味著行星不僅僅是小恆星，而是有著完全不同的起源。
儘管研究人員尚未解決這場爭議，但大多數人認為順序吸積 сценарий 是兩者中最合理的。我將在此處重點介紹它。
1. 星際雲坍縮 時間：0（行星形成序列的起點）
我們的太陽系屬於一個擁有約 1000 億顆恆星的星系，其中穿插著 газопылевых 雲，其中大部分是前幾代恆星的殘骸。“塵埃”在此背景下僅指微小的水冰、鐵和其他固體物質，這些物質在恆星涼爽的外層凝結，並被吹入星際空間。當雲足夠冷且密度足夠大時，它們會在重力作用下坍縮形成恆星團，這個過程需要 10 萬到幾百萬年 [參見托馬斯·P·雷的“青春之泉：恆星生命的早期”；《大眾科學》，2000 年 8 月]。
圍繞每顆恆星的是一個旋轉的剩餘物質盤，這是製造行星的必要條件。新形成的盤主要包含氫氣和氦氣。在它們炎熱而稠密的內部區域，塵埃顆粒被汽化；在涼爽而稀薄的外部區域，塵埃顆粒得以倖存並隨著蒸汽凝結到它們身上而生長。
天文學家已經發現了許多被這種盤包圍的年輕恆星。年齡在一百萬到三百萬年之間的恆星擁有富含氣體的盤，而年齡超過一千萬年的恆星則擁有貧瘠的、貧氣體的盤，氣體已被新生恆星或明亮的鄰近恆星吹走。這段時間劃定了行星形成的時代。這些盤中重元素的質量大約相當於太陽系行星中重元素的質量，這為行星確實起源於這種盤提供了強有力的線索。
終點：新生恆星被氣體和微米級塵埃顆粒包圍
2. 圓盤自行分類 時間：約 100 萬年
原行星盤中的塵埃顆粒被附近的氣體攪動並相互碰撞，有時粘在一起，有時破碎。顆粒攔截星光並重新發射波長較低的紅外光，確保熱量到達圓盤內部最黑暗的區域。氣體溫度、密度和壓力通常隨著與恆星距離的增加而降低。由於壓力、旋轉和重力的平衡，氣體圍繞恆星的軌道執行速度略低於同一距離的獨立天體。
在雪線本身，水分子傾向於在從顆粒上沸騰時積聚。水的這種積聚引發了一系列連鎖反應。它在雪線處產生氣體性質的不連續性，從而導致那裡的壓力下降。力的平衡導致氣體加速其圍繞中心恆星的旋轉。因此，附近的顆粒感覺到的不是頂風而是順風，這提高了它們的速度並阻止了它們的向內遷移。隨著顆粒繼續從圓盤的外部部分到達，它們在雪線處堆積起來。實際上，雪線變成了雪堆。
擠在一起的顆粒碰撞並生長。一些顆粒突破雪線並繼續向內遷移，但在過程中，它們會被冰泥和複雜分子覆蓋，這使它們更粘稠。一些區域塵埃非常濃厚，以至於顆粒的集體引力也加速了它們的生長。
透過這些方式，塵埃顆粒將自身堆積成公里大小的天體，稱為星子。到行星形成階段結束時，星子已經掃走了幾乎所有的原始塵埃。星子很難直接看到，但天文學家可以從它們碰撞產生的碎片中推斷出它們的存在 [參見戴維·阿迪拉的“行星系統的隱藏成員”；《大眾科學》，2004 年 4 月]。
終點：成群的公里大小的積木，稱為星子
3. 行星胚胎萌芽 時間：100 萬至 1000 萬年
水星、月球和小行星上佈滿隕石坑的景觀讓人毫不懷疑，新生的行星系統是射擊場。星子之間的碰撞要麼構建它們，要麼將它們分解。凝結和碎裂之間的平衡導致尺寸分佈，其中小天體佔新興系統中大部分表面積，而大天體佔其大部分質量。軌道最初可能是橢圓形的，但隨著時間的推移，氣體阻力和碰撞往往會使圍繞恆星的路徑變成圓形。
一開始，天體的生長是自我強化的。星子越大，它施加的引力就越強，它掃走較小質量的夥伴的速度就越快。然而，當它們達到與我們月球相當的質量時，天體施加的引力如此強大，以至於它們會攪動周圍的固體物質，並在它們能夠與之碰撞之前轉移大部分物質。透過這種方式，它們限制了自己的生長。因此，“寡頭統治”出現了——也就是說，質量相似的行星胚胎群體相互競爭剩餘的星子。
每個胚胎的進食區都是以其軌道為中心的狹窄帶。一旦它獲得了該區域中大部分剩餘的星子，它的生長就會停滯。透過簡單的幾何形狀，區域的大小和進食的持續時間隨著與恆星距離的增加而增長。在 1 天文單位的距離處，胚胎在大約 10 萬年內達到約 0.1 個地球質量的平臺期。在 5 天文單位處，它們在幾百萬年內達到 4 個地球質量。胚胎在雪線附近或圓盤間隙邊緣可以長得更大，星子也傾向於在那裡積聚。
寡頭統治式的生長使系統中充滿了過剩的有抱負的行星，其中只有一部分能夠成功。我們太陽系中的行星似乎間隔很遠，但它們已經儘可能地靠近了。在類地行星之間現在的空間中插入另一顆地球質量的行星會使所有行星都不穩定。其他已知的系統也是如此。如果您遇到一杯咖啡，咖啡已滿到杯沿，您可以合理地推斷出有人實際上倒得太滿了，灑了一些咖啡；正好倒滿，不浪費一滴，似乎不太可能。同樣，行星系統可能開始時擁有比最終擁有的更多的物質。天體被拋射出去，直到系統達到平衡配置。天文學家已經觀察到年輕恆星團中自由漂浮的行星。
終點：“寡頭統治”的月球質量到地球質量的行星胚胎
4. 氣體巨星誕生 時間：100 萬至 1000 萬年
木星可能起源於一個與地球大小相當的種子，然後積累了約 300 個地球質量的氣體。如此驚人的增長取決於各種競爭效應。胚胎的重力從圓盤中吸入氣體，但下落的氣體釋放能量，如果想要穩定下來，就必須冷卻。因此，生長速度受到冷卻效率的限制。如果冷卻速度太慢，恆星可能會在胚胎有機會形成厚厚的大氣層之前吹走圓盤中的氣體。主要的熱傳遞瓶頸是透過新興大氣層外層的輻射通量，這取決於氣體的不透明度（主要由其成分決定）和溫度梯度（主要由胚胎的初始質量決定）。
早期模型表明，胚胎需要具有臨界質量，約為地球質量的 10 倍，才能允許足夠快的熱傳遞。如此大的胚胎可能出現在雪線附近，那裡會較早積累物質。這可能是木星位於雪線之外的原因。如果圓盤包含的原材料比行星科學家過去假設的要多，它們也可能出現在其他地方。事實上，天文學家現在已經觀察到許多恆星的圓盤比傳統估計的密度高几倍，在這種情況下，熱傳遞不會構成無法克服的問題。
另一個不利於氣體巨星的因素是胚胎傾向於螺旋向內朝向恆星。在一個稱為 I 型遷移的過程中，胚胎在 газопылевых 圓盤中觸發一個波，反過來，這個波在引力上拉動胚胎的軌道。波的模式像船的尾跡一樣跟隨行星。距離恆星較遠一側的氣體比胚胎旋轉得慢，並起到阻礙胚胎的作用，使其減速。與此同時，軌道內部的氣體旋轉得更快，並起到向前拉動胚胎的作用，使其加速。外部區域較大，在拉鋸戰中獲勝，並導致胚胎失去能量並在一百萬年內向內下降幾個天文單位。這種遷移傾向於在雪線附近停滯，在那裡，頂風變成順風，併為胚胎的軌道提供額外的推動力。這可能是木星位於現在位置的另一個原因。
胚胎生長、胚胎遷移和氣體耗盡大約以相同的速度發生。哪個勝出取決於運氣。事實上，幾代胚胎可能會開始這個過程，但最終會在完成之前遷移走。在它們之後，來自圓盤外部區域的新鮮星子批次進入並重復這個過程，直到最終成功形成氣體巨星，或者氣體丟失並且永遠無法紮根氣體巨星。天文學家在他們檢查過的類太陽恆星中，僅在約 10% 的恆星周圍探測到木星質量的行星。這些行星的核心可能是許多代胚胎的稀有幸存者——最後的莫希幹人。
過程之間的平衡取決於系統最初的物質稟賦。近三分之一的富含重元素的恆星被木星質量的行星環繞。據推測，這些恆星擁有更密集的圓盤，這些圓盤產生了更大的胚胎，可以規避熱傳遞瓶頸。相反，在較小或重元素較少的恆星周圍形成的行星較少。
一旦生長開始加速，它就會以驚人的速度加速。在 1000 年內，一顆木星質量的行星可以獲得其最終質量的一半。在這個過程中，它散發出如此多的熱量，以至於可以短暫地蓋過太陽的光芒。當行星變得足夠大，可以將 I 型遷移掉頭時，行星就會穩定下來。不是圓盤移動行星的軌道，而是行星移動圓盤中氣體的軌道。行星軌道內部的氣體比行星旋轉得快，因此行星的引力傾向於阻礙它，導致它向恆星方向墜落——也就是說，遠離行星。行星軌道外部的氣體旋轉得較慢，因此行星傾向於加速它，導致它向外移動——再次遠離行星。因此，行星在圓盤中開啟一個間隙，並切斷其原材料供應。氣體試圖重新填充間隙，但計算機模擬表明，如果行星的質量在 5 天文單位處超過約一個木星質量，行星就會贏得這場鬥爭。
這個臨界質量取決於時間。行星形成得越早，它就能長得越大，因為剩餘的氣體很多。土星可能獲得的質量低於木星，僅僅是因為它晚形成了數百萬年。天文學家已經注意到，在 20 個地球質量（海王星的質量）到 100 個地球質量（土星的質量）範圍內的行星短缺，這可能是精確時間的一個線索。
終點：木星大小的行星（或沒有）
5. 氣體巨星變得不安分 時間：100 萬至 300 萬年
奇怪的是，過去十年發現的許多系外行星都非常靠近它們的恆星執行，比水星繞太陽執行得近得多。這些所謂的“熱木星”不可能在它們目前的位置形成，僅僅是因為軌道進食區太小，無法提供足夠的物質。它們的存在似乎需要一個三部分的事件序列，而這個序列由於某種原因並沒有在我們自己的太陽系中發生。
首先，氣體巨星必須在行星系統的內部部分，在雪線附近形成，同時圓盤仍然有相當數量的氣體。這需要在圓盤中高度集中固體物質。
其次，這顆巨行星必須移動到它現在的位置。I 型遷移無法實現這一點，因為它在胚胎積累大量氣體之前就起作用了。相反，必須發生 II 型遷移。新興的巨行星在圓盤中開啟一個間隙，並抑制氣體流過其軌道。這樣做時，它必須對抗圓盤相鄰區域的湍流氣體擴散的趨勢。氣體永遠不會停止滲入間隙，並且其向中心恆星的擴散迫使行星失去軌道能量。這個過程相對緩慢，需要數百萬年才能將行星移動幾個天文單位，這就是為什麼行星必須從太陽系內部開始才能最終緊貼恆星。當它和其他行星向內遷移時，它們會沿著其路徑推動任何剩餘的星子和胚胎，可能在緊密的軌道上形成“熱地球”。
第三，必須在行星完全落入恆星之前阻止遷移。恆星磁場可能會清除恆星周圍空腔中的氣體；沒有氣體，遷移就會停止。或者，也許行星會在恆星上引起潮汐，而恆星反過來會扭轉行星的軌道。這些安全措施可能並非在所有系統中都有效，許多行星很可能完全墜落。
終點：緊密軌道執行的巨行星（“熱木星”）
6. 其他巨行星加入這個家庭 時間：200 萬至 1000 萬年
如果一顆氣體巨星設法出現，它將促進後續氣體巨星的形成。許多，甚至可能是大多數已知的巨行星都有質量相當的兄弟姐妹。在我們的太陽系中，木星幫助土星比它自己更快地出現。它還幫助了天王星和海王星，沒有它，它們可能永遠無法長到現在的尺寸；在它們與太陽的距離上，未經輔助的形成過程非常緩慢，以至於圓盤會在完成之前很久就消散，留下發育不良的世界。
開創性的氣體巨星具有幾個有益的影響。在其開啟的間隙的外邊緣，物質會像在雪線處一樣積累，原因大致相同——即，壓力差導致氣體加速並充當顆粒和星子上的順風，阻止它們從圓盤更遠的區域遷移。第一顆氣體巨星的另一個影響是，它的引力傾向於將附近的星子拋到系統的外圍，在那裡它們可以形成新的行星。
第二代行星是由第一顆氣體巨星為其收集的物質形成的。時間安排至關重要，時間尺度上相當小的差異可能會導致結果的巨大差異。就天王星和海王星而言，星子的積累實在是太過分了。胚胎變得格外巨大，大約 10 到 20 個地球質量，這延遲了氣體吸積的開始——到那時，幾乎沒有氣體可以吸積了。這些天體最終只獲得了大約兩個地球質量的氣體。它們不是氣體巨星，而是冰巨星，而冰巨星實際上可能被證明是更常見的巨行星型別。
第二代行星的引力場給系統帶來了額外的複雜性。如果天體形成得太近，它們彼此之間以及與 газопылевых 圓盤的相互作用可能會將它們彈射到新的、高度橢圓的軌道上。在我們的太陽系中，所有行星都具有近乎圓形的軌道，並且間隔足夠遠，可以相互免疫影響。然而，在其他行星系統中，橢圓軌道是常態。在一些系統中，軌道是共振的——也就是說，軌道週期透過小整數比率相關。出生在這種狀態下是非常不可能的，但當行星遷移並最終在引力上相互鎖定在一起時，它會自然而然地出現。這些系統與我們系統之間的差異可能僅僅是最初分配的氣體。
大多數恆星在星團中形成，超過一半的恆星有雙星伴星。行星可能在一個與恆星軌道平面不同的平面上形成。在這種情況下，伴星的引力會迅速重新調整和扭曲行星的軌道，從而形成非平面系統，如我們的太陽系，而是球形系統，如圍繞蜂巢嗡嗡作響的蜜蜂。
終點：巨行星集團
7. 類地行星組裝 時間：1000 萬至 1 億年
行星科學家預計類地行星比氣體巨星更普遍。氣體巨星的孕育涉及競爭效應的精細平衡，而岩石行星的形成應該相當穩健。然而，在我們發現系外地球之前，我們將不得不依靠太陽系作為我們唯一的案例研究。
四顆類地行星——水星、金星、地球和火星——主要由高沸點物質組成，如鐵和矽酸鹽岩石，表明它們在雪線內形成，並且沒有發生明顯的遷移。在這個距離範圍內， газопылевых 圓盤中的行星胚胎可以生長到約 0.1 個地球質量，不會比水星大多少。進一步的生長需要胚胎的軌道交叉，以便它們可以碰撞併合並。這很容易解釋。在氣體蒸發後，胚胎逐漸破壞了彼此的軌道，並在幾百萬年的時間裡，使它們變得足夠橢圓以至於可以相交。
更難解釋的是系統如何再次穩定自身，以及是什麼使類地行星走上如今近乎圓形的軌道。少量剩餘氣體可以解決問題，但如果存在氣體，它會從一開始就阻止軌道變得不穩定。一種觀點是，在行星幾乎形成後，仍然殘留著大量的星子群。在接下來的 1 億年中，行星掃走了一些星子，並將剩餘的星子偏轉到太陽中。行星將其隨機運動轉移到註定要滅亡的星子上，並進入圓形或幾乎圓形的軌道。
另一種觀點是，木星引力的遠端影響導致新興的類地行星遷移，使它們與新鮮物質接觸。這種影響在特殊的共振位置最強，這些位置隨著木星軌道穩定到最終形狀而向內移動。放射性測年表明，小行星形成於早期（在太陽形成後四百萬年），其次是火星的形成（在太陽形成後一千萬年），然後是地球（在太陽形成後五千萬年）——彷彿一場由木星引發的浪潮正在席捲太陽系。如果不加以控制，它的影響會將所有類地行星推向水星的軌道。它們是如何避免這種不幸結果的？也許它們長得太大了，以至於木星無法顯著地移動它們，或者也許它們被巨大的撞擊擊出了木星的影響範圍。
儘管如此，大多數行星科學家並不認為木星在岩石行星的形成中起到了決定性作用。大多數類太陽恆星都缺少類似木星的行星，但它們仍然有塵埃碎片，表明存在星子和行星胚胎，它們可以組裝成類地世界。觀察者在未來十年需要回答的一個主要問題是有多少系統擁有地球但沒有木星。
對於我們的行星來說，一個決定性的時刻發生在太陽形成後 3000 萬到 1 億年，當時一個火星大小的胚胎撞擊了原始地球，並拋射出大量的碎片，這些碎片凝結成月球。考慮到早期太陽系中圍繞著大量物質，如此巨大的撞擊並不令人意外，其他系統中的類地行星也可能擁有衛星。巨大的撞擊也起到了噴射稀薄的原始大氣層的作用。地球今天的大氣層主要來自被困在形成地球的星子中的氣體，後來被火山噴發出來。
終點：類地行星
8. 清理行動開始 時間：5000 萬至 10 億年
至此，行星系統幾乎完成了。一些影響繼續對其進行微調：更廣泛的恆星團的瓦解，這可能會在引力上破壞行星的軌道；恆星清除其最後的氣體盤後產生的內部不穩定性；以及巨行星對剩餘星子的持續散射。在我們的太陽系中，天王星和海王星將星子拋射到柯伊伯帶或朝向太陽。木星以其更大的引力，將它們送往太陽引力範圍邊緣的奧爾特雲。奧爾特雲可能包含相當於多達 100 個地球質量的物質。每隔一段時間，來自柯伊伯帶或奧爾特雲的星子會向內墜落到太陽，形成彗星。
在散射星子的過程中，行星本身也會發生一些遷移，這將解釋海王星和冥王星軌道之間的同步性 [參見雷努·馬爾霍特拉的“遷移行星”；《大眾科學》，1999 年 9 月]。例如，土星可能曾經在更靠近木星的軌道上執行，然後向外移動，這個過程可以解釋所謂的後期重轟炸——在月球上（以及據推測在地球上）發生的一次特別強烈的撞擊時期，大約發生在太陽形成後 8 億年。在某些系統中，成熟行星的史詩般的碰撞可能發生在發展的後期。
終點：行星和彗星的最終配置
沒有宏偉的設計
在發現系外行星的時代之前，我們的太陽系是我們擁有的唯一案例研究。儘管它為重要過程的微觀物理學提供了豐富的資訊，但它也縮小了我們對其他系統如何發展的視野。過去十年發現的驚人的行星多樣性極大地擴充套件了我們的理論視野。我們已經意識到，系外行星是原行星形成、遷移、破壞和持續動態演化的最後一代倖存者。我們太陽系的相對有序性並不反映任何宏偉的設計。
理論家們已經將他們的重點從提供解釋太陽系形成遺蹟的 сценарий 轉移到構建具有一定預測能力的理論，以便透過即將到來的觀測進行檢驗。到目前為止，觀察者只看到了類太陽恆星周圍的木星質量行星。隨著新一代探測器的出現，他們將尋找地球大小的行星，順序吸積 сценарий 表明這種行星很常見。行星科學家可能才剛剛開始看到這個宇宙中世界的全部多樣性。
編者注：這篇文章最初以“行星的起源”為標題印刷。