行星创世记

行星的诞生故事看似是一步步朝各阶段前进的稳定过程，但实际上却混乱无比。

10年前，研究行星形成的科学家还只能以我们太阳系这唯一的例子作为构建理论的依据。现在他们已发现了数十个成熟的行星系统，以及数十个孕育中的系统，用作参照的对象。其中，没有任何两个系统是完全相同的。目前主要的行星形成理论的基本概念是，行星是由微小颗粒聚积并攫取气体而形成的。但这个概念其实跳过了许多错综复杂的层次，各种可能的机制间混乱的交互影响，使得各版、本的行星形成理论之间产生巨大的差异。

在整个叙述宇宙膨胀的伟大故事中，行星虽然只是个无足轻重的小角色，但却是宇宙里最丰富多变且错综复杂的天体。没有任何其他天体和行星一样，同时经历了天文、地质、化学与生物等各层面复杂的交互作用。宇宙中更没有其他地方，能够像行星一样维持我们所知道的生命现象，像我们太阳系这样的行星系统，在许多方面其实差异极大；而在过去10年里，即便天文学家并未特意搜索，却已经意外发现了200颗以上的行星。

这些行星具有各式各样的质量、大小、组成与轨道，对于想要探索它们起源的人来说，是极大的挑战。20世纪70年代笔者还是个研究生时，我们认为行星的形成是个井然有序、横式固定的过程，就像是一条装配线，把杂乱无章的气盘与尘埃，制造成许多类似太阳系的行星系统。现在，我们逐渐理解那其实是个混乱无序的过程。每个系统的结局截然不同。最终胜出的世界，是在创生与毁灭这两种纷扰躁动、互相竞争机制下的幸存者，其中有许多行星会爆裂开，被刚诞生的恒星吞食，或者被弹射进星际深空。我们地球也许有失散多时的兄弟姐妹，正在黯淡无光的太空中飘浮流浪。

行星形成的研究涉及天文物理、行星科学、统计力学与非线性动力学等领域。行星科学家已大致发展出两种主要理论。连续吸积学说认为，细微的尘埃颗粒会聚积成坚硬的石块，然后吸引大量气体，形成木星般的气态巨行星；若没有吸引到大量气体，就变成类似地球的固态行星。这个理论的主要缺点是整个过程太缓慢，气体可能在行星建构完成前便逸散无踪了。

另一个是重力不稳定性学说，它认为气态巨行星形成于不成熟气盘与尘埃崩解时的骤然撕裂声中，这是一种恒星形成过程的小型翻版。这项假说仍有争议，因为它假设必须有非常不稳定的条件存在，而自然环境可能无法满足这种极端条件。况且，天文学家已经发现最重的行星与最轻的恒星间有道鸿沟，也就是说，尺度介于两者之间的天体非常稀少。这个不连续性意味着行星的形成并非等同于单纯的小型恒星，它应该和恒星有着全然不同的起源。

虽然研究人员尚未完全解决这个争论，但多数认为连续吸积学说是两者之中较可行的理论。

星际云崩塌

时间：0(行星形成过程的起点)

我们太阳系所在的星系，是由1000多亿颗恒星所构成的。恒星间弥漫着的云气与尘埃，大部分是前几代恒星遗留下来的残骸。“尘埃”在这里指的是凝聚在恒星外层较冷的微小冰粒、铁以及其他固态物质。它们在恒星死亡时被抛入星际空间中，当云气够冷且够致密时，就会因重力坍塌而形成恒星。整个过程需要10万至数百万年。

环绕在每一颗恒星周遭的旋转圆盘是由剩余物质构成的，而那就是建构行星的必要物资。刚形成的圆盘主要成分是氢气与氦气，在圆盘高温致密的内层区域，尘埃颗粒会被气化，而在又冷又稀薄的外层，尘埃粒子可以幸存，并且会因为气体凝结在它们身上而成长。

天文学家已发现了许多年轻恒星的周围环绕着这种圆盘。年龄介于100万一300万年的恒星具有富含气体的圆盘；而恒星的年龄大于1000万年时，其圆盘则贫瘠而缺乏气体，因为气体被刚诞生的恒星和邻近的亮星吹散了。而在这两段时间之间就是行星形成的时期。圆盘的重元素含量大致与太阳系行星所具有的重元素含量相当，这提供了一个强有力的线索，证实行星的确来自于这类气盘。

结果：新诞生的恒星周围环绕着气体与微米大小的尘埃颗粒。

行星盘出现

时间：大约100万年

原行星盘里的尘埃颗粒会受到邻近气体的翻搅而与其他尘埃碰撞，有时会黏在一块，有时则彼此分离。尘埃颗粒吸收星光后，再发射红外光，确保热能传到圆盘内部最阴暗的角落。气体的温度、密度与压力随着与恒星距离的增加而递减。由于需顾及压力、旋转与重力的平衡，气体绕着恒星的速度，会比独立物体以同样距离绕行的速度稍慢。

如此以来，直径大于数毫米的尘埃颗粒速度将比气体还快，因而遭遇逆风使速度降低，导致它们朝着恒星向内盘旋。颗粒越大，盘旋的速度就越快，颗粒的大小每增大0.3米，就可以在1000年内将它与恒星的距离减半。

当它们靠近恒星，颗粒的温度会升高，最终使得水分与低沸点的挥发性物质沸腾起来。这个现象发生时的距离称为“雪线”，离恒星2个－4个天文单位。我们太阳系的雪线位置，就落在火星轨道与木星轨道之间。雪线将行星系统划分为拥有固态物体但挥发性物质稀少的内行星区，以及富含挥发性物质与冰冷物体的外行星区。

在雪线内，水分子从尘埃颗粒上蒸腾之后会聚积在一块儿，而水分的聚积则会引发一连串的效应，使得雪线内的气体性质产生不连续性，进而导致该处的压力下降。然后，力的平衡将促使气体加速环绕中心恒星，结果造成附近的颗粒不再感受到逆风，反而成了令它们提升速度的顺风，因而阻止它们进一步向内迁移。当颗粒不断从圆盘外层抵达时，便会堆积在雪线附近，这样一来，雪线就变成雪库了。

尘埃颗粒会因挤在一起彼此碰撞而成长，有些颗粒会冲破雪线，持续向内移动，但在这个过程中，它们会吸附融雪及复杂的分子，变得更黏稠。有些地方因吸附了太厚的尘埃，使得颗粒整体的重力增加，这亦加速了它们自身的成长。

经由这些过程。尘埃颗粒将自己包裹成直径以千米计的物体，称作微行星。在微行星形成的阶段结束前，微行星会把绝大多数的原始尘埃清扫干净。微行星很难直接被观测到，但天文学家可从它们碰撞的残骸推论出它们的存在。

结果：出现大量千米尺度的微行星，是建构行星的材料。