为什么有的地方挥发，行星是如何形成的？

小伙伴们都想知道一些关于行星是如何形成的？和为什么有的地方挥发的题，今天小编为大家详细的解说一下。

行星系统如何形成以及它们的形成过程如何与我们当前的太阳系相关，是天体物理学中最基本的题之一，也是解开我们在宇宙中的位置之谜的关键部分。

近年来，得益于开普勒望远镜等系外行星搜索项目的成功，我们已经习惯了宇宙中行星系统的普遍存在。但就在几十年前，我们甚至不知道太阳系之外是否存在其他行星。当时，天文学家只能利用唯一已知的行星系统，即我们的太阳系，来了解行星的形成。

行星襁褓

这幅艺术品展示了一颗年轻的恒星，周围环绕着由气体和尘埃组成的原行星盘，行星正在那里孕育。

我们的太阳系秩序井然，所有行星都在一个平面上运动，轨道之间有足够的空间。行星有多种类型，内行星是岩石行星，外行星是由气体和冰组成的巨行星。因此，我们曾经认为像地这样的小行星必须靠近它们的主恒星，而大型气态行星必须在其主恒星之外。我们曾经认为任何行星形成理论都必须仔细调整才能得出这样的结构。

太阳系行星图

但现在我们知道，如果这个模型仅仅基于太阳系，它肯定会走向错误的方向。

自20世纪90年代中期发现第一颗系外行星以来，行星系统的多样性不断刷新我们的认识。例如，有些行星绕两颗恒星而不是一颗恒星运行。它的质量与木星相似，但其轨道只持续几天。我们生活的太阳系的结构规律并不像最初想象的那么普遍。

达锐普

这是天文学家使用ALMA拍摄的一些原行星盘尘埃的照片。间隙和环形结构很常见，表明行星可能正在形成。

要了解行星是如何形成的，我们不能仅仅依靠太阳系。天文学家一直在通过分析比太阳年轻得多的恒星周围形成的行星的观测数据来跟踪行星的形成模式。但尽管如此，除了少数例外，我们无法直接观察到行星形成的过程。这是因为与它的主星以及它所在的气体和尘埃盘相比，该行星发出的辐射仍然太暗淡。因此天文学家转向这些原行星盘来寻找行星正在形成的间接证据。

间隙中的行星

PDS70b是SPHERE迄今为止拍摄到的唯一一颗在其原行星盘上有间隙的行星。

原行星盘观测与系外行星观测类似，近年来得到积极发展，产生了许多高水平的观测成果。虽然有些细节还不清楚，但有一点正在变得越来越清晰。系外行星所表现出的丰富多样性可能深深植根于系外行星形成早期形成的原行星盘中。

/传统故事

康德和拉普拉斯等十八世纪的学者普遍认为，太阳系的行星起源于早期太阳周围的扁平圆盘。这个盘被称为原行星盘，它是在恒星形成时自然产生的，一大片气体和尘埃云塌陷形成原行星，剩余的物质由于角动量守恒而形成原行星盘。

原行星盘是如何形成的

20世纪末一个被广泛接受的理论是，原行星盘中的尘埃粒子碰撞并粘在一起形成了称为小行星的岩石物体。这个小行星将继续生长，最终成为行星的核心。如果行星的核心生长得足够快并且质量足够大，它就会吸收盘中剩余的气体，形成像木星或土星这样的巨行星，但如果行星的核心质量不够大，它就会形成一颗小型的岩石行星。类似地。

这个理论框架自然可以解释为什么太阳系行星可以分为两种类型较小的内行星和较大的外行星。这是因为原行星盘的外部含有更多的物质并且更容易收集。这是因为外周离太阳更远，温度也更低，因此尘埃颗粒含有更多的冰元素，碰撞时更容易粘在一起。

事实上，恒星形成区域中的几乎每颗年轻恒星都有一个原行星盘围绕着它。但随着对原行星盘的观测不断完善，我们惊讶地发现它们像系外行星一样复杂多样，这对传统行星形成理论的一些关键部分提出了重大挑战。

/图像越来越清晰

近年来，阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列和光谱偏振高对比度外太阳阵列这两种仪器揭示了许多以前未见过的有关原行星盘的细节。尽管这两种仪器的观测结果有很大不同，但它们获得的数据相互补充，极大地推进了我们对行星形成的理解。

不同波段的原行星盘

智利甚大望远镜上的SPHERE成像仪器可以阻挡来自中心恒星的光线，并直接对恒星周围尘埃盘反射的星光进行成像。照片显示圆盘有许多不同的尺寸和形状。

ALMA由60多个天线组成，分布在智利阿塔卡马沙漠直径16公里的区域，组合起来相当于一个非常大的单孔径射电望远镜，可以实现高灵敏度和灵敏性。-无线频段的定义数据分辨率图像。SPHERE是安装在智利巴拉那山甚大望远镜上的极端自适应光学系统，能够在光学和近红外波段提供高分辨率和高对比度图像。

借助ALMA的高分辨率图像，我们现在知道行星盘中的尘埃分布并不像盘表面那么光滑，并且往往具有许多同心间距和环形结构。其中一些结构可能是通过形成行星而形成的，当它们绕轨道运行时，会形成穿过尘埃盘的路径。根据圆盘的结构，可以使用详细的计算机模拟来推断行星的质量。除了这些同心间距和环形结构之外，ALMA还在尘埃分布中发现了许多涡旋、旋臂和巨大的空腔，这可以用不同轨道和大小的行星来解释。然而，直接观察这些行星的形成是极其困难的。SPHERE仅检测到其中之一，PDS70b。

尽管ALMA和SPHERE提供了前所未有的高分辨率图像，但对于大多数原行星盘，我们仍然无法探测到比木星轨道更接近其恒星的区域，而且我们无法知道类地行星是如何形成的。

/雪线有话要说

到目前为止，我们只讨论了原行星盘的尘埃成分，因为它更容易观察。然而，气体占原行星盘总质量的99%，在行星形成的许多关键物理过程中起着主导作用，主导着行星核心和大气的化学成分，对生命的起源有着深远的影响还有生命的起源。这太疯狂了。行星宜居性.

氢——是气体的主要成分，我们几乎看不见，因为大部分原行星盘太冷，无法激发氢分子的辐射。只有在ALMA开始工作后，我们才能够详细研究原行星盘的化学成分。

ALMA时代的主要研究焦点是雪线。雪线是原行星盘温度变化和某些化学成分从气体凝结成固体的点。雪线在行星形成中很重要，因为它们决定了在原行星盘不同位置形成的行星的类型。

原行星盘的组成

在原行星盘的中心，星光驱散了尘埃，在恒星周围留下了充满气体的空间。这种气体继续在中心恒星中积聚。如果距离较远，灰尘会积聚并沉积在磁盘上。雪线之外冰的存在使尘埃颗粒变得更加粘稠，加速了巨行星的生长。

例如，水分子在水雪线之外凝结成固体颗粒。这不仅为行星的核心提供了固体原材料，而且还使颗粒更具粘性并且更容易生长。这种效应也反映在我们的太阳系中，雪线以内有类地行星，雪线以外有巨行星。雪线还可以确定行星核心和大气层的化学成分。例如，在较冷的外盘中形成的巨行星的大气中具有较少的挥发性化学成分，例如水和一氧化碳。这是因为这些成分凝结成固体并固定在行星的核心中。

因此，我们可以利用行星大气层的化学成分来研究行星形成的位置以及是否移动到了现在的位置。

/星酝酿

天文学家正在研究的一个重要题是行星形成的速度有多快。

21世纪初斯皮策红外望远镜对天空进行的大规模巡天表明，几乎所有百万岁的恒星都拥有原行星盘。但对于500万年历史的恒星来说，只有20%拥有原行星盘，而对于1000万年历史的行星来说，这个比例下降到5，并且其他恒星周围的盘都消失了。因此，天文学家认为大多数行星是在最初的500万年内形成的。这是一个非常严格的时间尺度，因为理论模型要求行星在很短的时间内形成。然而，ALMA和SPHERE最近的观测表明，行星形成过程比基于斯皮策望远镜获得的结果要快得多。

金牛座周围的HL原行星盘

最明显的例子是金牛座HL周围的原行星盘。这是ALMA以全分辨率拍摄的第一张原行星盘图像。该系统只有一百万年的历史，原恒星仍然被层层原始星云包围，物质不断落到正在形成的恒星和原行星盘上。尽管如此，ALMA仍然能够穿透气体云并观察到具有许多同心环和间隙的原行星盘。

如果这些间隙是通过形成行星而“雕刻出来”的，这意味着行星是在恒星和圆盘形成的同时形成的，只需要几十万年而不是数百万年的形成时间。在太阳系中发现的一些证据支持行星快速形成的理论。木星核心的年龄可以通过追踪各种陨石的年龄来确定，结论是木星核心在太阳系诞生后100万年就已经形成。

科学家还认为，大约10倍于地质量的冰、岩石和金属形成了早期的木星核心，这意味着小行星和行星核心的生长发生得比一百万年前要早得多。如果行星与恒星和原行星盘同时形成，则必须从根本上修改行星形成模型。

不久前，ALMA首次发现行星形成物质落入原行星盘缝隙的迹象。据信，这个间隙中可能存在一颗年轻的行星。这一结果让我们对未来的发展更加兴奋。通过将地面望远镜与未来的太空望远镜相结合，我们不仅会利用太阳系来推测其他行星系统，还将在银河系的众多行星系统中重新审视我们自己的太阳系。

作者梅根安斯德尔

译者王亮