一些最好的電影都是起源故事。當我們知道一個超級英雄來自哪裡時，我們就能理解他們為什麼這樣做。行星也是如此：瞭解行星是如何形成的，是理解其內部結構、地質和氣候的關鍵。透過數十年對隕石和月球岩石的分析，我們對地球是如何形成的瞭解了很多。我們認為地球生長的最後階段涉及巨大的碰撞，最後一次碰撞旋出了汽化岩石盤，這些岩石盤聚結成月球。
但是，我們發現的圍繞其他恆星的數千顆行星又是如何形成的呢？它們是否像地球一樣形成？回答這個問題似乎渺茫，因為我們永遠無法獲得來自那些行星的岩石進行分析。但是，可能還有另一種方法，這種方法很重要，因為它為我們提供了將地球的起源故事與岩石系外行星的起源故事進行比較的難得機會。
在最近發表於《自然·天文學》雜誌上的一項研究中，我們利用一個系外行星系統的軌道結構來研究行星可能如何形成，以TRAPPIST-1系統為例。這個系統在系外行星中具有標誌性：它包含七顆已知的行星，每顆行星的大小都接近地球，其中三顆行星從它們微小的紅矮星接收到的能量與地球從太陽接收到的能量相似。
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為了我們的分析，TRAPPIST-1的一個關鍵特徵是軌道共振。在特定的軌道數後，每對相鄰行星會重新對齊。例如，在外側行星對（稱為g和h）中，軌道對齊每行星g執行三圈和行星h執行兩圈重複一次；這是一個3:2共振。每對相鄰行星都處於類似的共振狀態。所有七顆行星共同參與這種軌道舞蹈，形成一個共振鏈。
在彩彈射擊中，每次有人被擊中，衝擊都會留下一個油漆 blob，因此您可以一目瞭然地看出任何玩家被擊中的頻率。同樣，行星和衛星的表面保留了撞擊的跡象；當來自太空的物體墜落時，它會爆炸並留下一個隕石坑。您可以肉眼看到月球上最大的隕石坑；第谷是最引人注目的隕石坑之一。
我們想弄清楚有多少太空垃圾——即，剩餘的小行星和彗星——可能轟擊了 TRAPPIST-1行星。我們研究的關鍵部分是精確計算該系統軌道共振的脆弱程度。事實證明，共振非常容易被打破。當小行星或彗星與行星碰撞，甚至只是近距離經過時，行星的軌道會稍微移動。將其中一些偏移加起來，相鄰行星的軌道就會足夠分散，從而失去共振。從那時起，它們就再也無法重新對齊。
透過軌道模擬，我們確定瞭如果該系統的共振丟失，將有多少太空垃圾會與每顆 TRAPPIST-1 行星碰撞。當然，TRAPPIST-1 的共振沒有丟失；自從行星形成以來，它們已經存在了數十億年，並且我們今天觀察到了它們。TRAPPIST-1 就像一個穿著幾乎完全乾淨的服裝的彩彈射擊玩家。我們的模擬向我們展示了“最壞情況”；自 TRAPPIST-1 行星形成以來，可能撞擊任何行星的最大物質數量（以宇宙術語衡量）非常少，不到地球質量的 1%。任何超過這個數量的物質都會永久性地擾亂我們今天看到的共振。
由於撞擊如此之少，TRAPPIST-1 行星的增長速度必定遠快於地球。像 TRAPPIST-1 這樣的共振是透過軌道遷移形成的，因為正在增長的行星的軌道透過與氣體行星形成盤相互作用而緩慢收縮。一旦星盤消失，共振就會斷裂，但無法重新形成。因此，TRAPPIST-1 系統必須在其恆星星盤的壽命內完全形成——僅幾百萬年。在隨後的數十億年中，最多隻有輕微的轟擊。
相比之下，對地球和月球岩石的分析表明，形成月球的行星級碰撞發生在太陽系形成開始後約 1 億年。TRAPPIST-1 行星很可能也經歷過如此巨大的碰撞，但只是在它們歷史的早期，在共振鏈固定下來之前。我們並不完全瞭解這些不同的形成途徑如何影響 TRAPPIST-1 行星與地球相比的內部演化、地質和氣候，但這是一個活躍的研究領域。例如，它們的快速增長可能會大大增加行星內部岩石中可能儲存的水量，但會減少可能作為地表海洋的水量。
我們的研究涉及對哪些天體應稱為“行星”的爭議水域。根據國際天文學聯合會的定義，用於將冥王星降級為“矮行星”地位的因素是，它沒有清除其軌道周圍的太空垃圾。相反，冥王星在富含冰的彗星狀天體的柯伊伯帶內執行。我們的模擬表明，TRAPPIST-1 系統中不可能存在大量的太空垃圾。因此，這七個天體中的每一個都應該被稱為行星。
目前，我們只能將我們的新技術應用於少數其他系統，即那些共振鏈，它們的彩彈射擊服幾乎是乾淨的。然而，這些是我們從軌道角度來看以及因為一種理論提出幾乎所有行星系統都會花費一些時間作為共振鏈（儘管很少有共振鏈能夠倖存下來）而瞭解到的最有趣的系統之一。瞭解這些系統中行星的轟擊歷史是講述其他世界起源故事的第一步。