想象一下，鵝卵石流在直徑100千米的原行星表面飛馳而過。當(dāng)鵝卵石穿過圓盤中的氣體時(shí)，摩擦力使它們減速到足以被原行星引力場(chǎng)捕獲的程度。

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在我們太陽(yáng)系早期，行星最快的形成方式坑是大量小型天體(而非巨大天體)互相碰撞融合而成。

圖1：藝術(shù)渲染圖，一顆恒星被原行星盤包圍

大約45億年前，太陽(yáng)系堪稱是個(gè)充滿行星幼兒的托兒所。在年輕的太陽(yáng)周圍，旋轉(zhuǎn)著一個(gè)由太陽(yáng)系誕生而留下的氣體和塵埃構(gòu)成的圓盤。環(huán)繞在軌道圓盤內(nèi)的是星子(planetesimals，即直徑約1至100千米的巖石天體)，以及直徑約1000千米的更大原行星。這就好像一群不同大小的孩子被關(guān)進(jìn)了同一個(gè)房間。

像所有的托兒所一樣，這是個(gè)吵鬧不堪的地方。星子呼嘯而過，偶爾會(huì)撞到一起。塵埃和巖石碎片迅速地穿過災(zāi)區(qū)。花了幾百萬(wàn)年的時(shí)間，這種學(xué)齡前的混亂才穩(wěn)定下來，今天的大部分行星就此形成?？茖W(xué)家們過去認(rèn)為，行星是由星子相互碰撞和融合形成的，就像培樂多泥膠玩具那樣。但事實(shí)證明，這一過程耗時(shí)時(shí)間太長(zhǎng)。所以天文學(xué)家最近提出了一種新說，來解釋小行星的形成過程。

計(jì)算機(jī)模擬顯示，在布滿塵埃的圓盤內(nèi)，有許多鵝卵石狀小型天體會(huì)附著在不斷壯大的原行星上。這些小天體迅速地結(jié)合在一起，使得原行星迅速成長(zhǎng)為成熟的行星，就像一個(gè)孩子突然間獲得足夠的重量，成為一個(gè)成年人。這一理論被稱為“鵝卵石加積”(pebbleaccretion)假說，正在重塑科學(xué)家們對(duì)早期太陽(yáng)系形成的看法。此外，它也開啟了新的研究方向，比如探索行星如何圍繞除了太陽(yáng)外的其他恒星形成的。

瑞典隆德大學(xué)的天文學(xué)家、該理論的合著者邁克爾·蘭布雷希茨(Michiel Lambrechts)說:“這些天體的形成更加快速輕松，鵝卵石加積假說提供了很多問題的解決方案。”在這些問題中，首要的問題是，在塵埃盤耗盡所需原料之前行星是如何形成的?模型表明，當(dāng)塵埃盤中的氣體蒸發(fā)，其塵埃螺旋進(jìn)入新生太陽(yáng)的引力中時(shí)，它將會(huì)在大約100萬(wàn)到1000萬(wàn)年時(shí)間里消失。

在塵埃盤消失之前，最大的行星(比如木星和土星)會(huì)以某種方式聚集大約10個(gè)地球質(zhì)量的核心。通過星子碰撞融合形成行星的時(shí)間太長(zhǎng)了，因?yàn)樾亲油ǔ?huì)在沒有被重力捕獲的情況下，急速飛過嬰兒行星。而另一方面，小型鵝卵石天體很容易被原行星的引力捕獲，它們的積累可以幫助在100萬(wàn)年左右的時(shí)間里形成一顆行星。

天文學(xué)家們知道這樣的小鵝卵石天體是存在的，因?yàn)樗麄円呀?jīng)看到它們?cè)谛『阈侵車\(yùn)行。射電望遠(yuǎn)鏡(例如位于新墨西哥州索科羅附近的大型陣列)，通過在電波中發(fā)光的方式測(cè)量了原行星塵埃盤中粒子的大小。這些圓盤中通常含有大量的鵝卵石天體。在某些情況下，相當(dāng)于數(shù)百個(gè)地球質(zhì)量的物體慢慢向恒星漂移。

當(dāng)較小的塵埃顆粒碰撞合并時(shí)，鵝卵石就形成了。蘭德大學(xué)天文學(xué)家、“鵝卵石加積”理論的另一位合著者安德斯·約翰森(Anders Johansen)說：“圓盤上的大部分塵埃變成了鵝卵石。”他把原行星盤稱為“鵝卵石工廠”。

大約在2010年時(shí)，約翰森和蘭布雷希茨產(chǎn)生好奇，想知道這些鵝卵石與行星誕生之間的關(guān)系。他們開始了一系列的計(jì)算，包括關(guān)于鵝卵石如何與漂浮在原行星盤上的其他大碎石塊的相互作用。令約翰森和蘭布雷希茨吃驚的是，他們發(fā)現(xiàn)鵝卵石可以迅速地覆蓋到一顆原行星上。

關(guān)鍵在于摩擦。想象一下，鵝卵石流在直徑100千米的原行星表面飛馳而過。當(dāng)鵝卵石穿過圓盤中的氣體時(shí)，摩擦力使它們減速到足以被原行星引力場(chǎng)捕獲的程度。

鵝卵石開始繞著更大的巖石天體旋轉(zhuǎn)，很快就會(huì)與其表面相撞。每一次碰撞都增加一小部分質(zhì)量。在這樣的碰撞中，原行星會(huì)快速增長(zhǎng)，達(dá)到直徑1000千米以上。蘭布雷希茨說：“從很多方面來看，鵝卵石加積是增加原行星質(zhì)量的最有效方法。”如果一個(gè)原行星盤包含相等的巖石塊，即半數(shù)星子半數(shù)鵝卵石，那么鵝卵石比星子的效率高1000倍。約翰森和蘭布雷希在2012年開始的一系列論文中報(bào)告了他們的初步想法，并在去年的《地球與行星科學(xué)年鑒》上發(fā)表了綜述文章。

鵝卵石加積假說有助于解釋許多關(guān)于太陽(yáng)系特性的問題。比如，現(xiàn)在環(huán)繞木星運(yùn)行的美國(guó)宇航局“朱諾號(hào)”探測(cè)器發(fā)現(xiàn)，這個(gè)氣態(tài)巨行星的核心比科學(xué)家預(yù)期的要大得多，也更分散。約翰森認(rèn)為，這可能意味著鵝卵石加積假說在發(fā)揮作用，這也是在塵埃盤消散之前，在可利用的時(shí)間內(nèi)形成行星核心的唯一方法。

鵝卵石加積假說也闡明了天王星和海王星形成的長(zhǎng)期秘密。令人費(fèi)解的是，這些冰態(tài)巨行星以巨大的內(nèi)核開始形成，而不像木星和土星那樣以大量的氣體形式存在。幼兒期的木星和土星最終到達(dá)了可被稱為“鵝卵石隔離質(zhì)量”的臨界點(diǎn)，它們?cè)谶@個(gè)期間已經(jīng)足夠大，可以在周圍的氣體中產(chǎn)生壓力碰撞，把任何接近的鵝卵石推開。一旦它們停止吞噬鵝卵石，木星和土星就開始吸入氣體。相比之下，天王星和海王星從來沒有達(dá)到“鵝卵石隔離質(zhì)量”，反而增加了軌道距離。為此，它們變成了“冰巨人”而不是“氣巨人”。

在太陽(yáng)系之外，鵝卵石加積作用也解釋了許多奧秘，比如行星在離恒星很遠(yuǎn)的距離形成。例如，飛馬座中年輕的恒星HR 8799(距離地球約129光年)，它有4顆比木星更大的行星，它們距離恒星的軌道距離是地球到太陽(yáng)距離的68倍。相比之下，木星的軌道距離大約是地球到太陽(yáng)距離的5倍。

約翰森和蘭布雷希茨的計(jì)算機(jī)模擬表明，這些行星可能形成于更遠(yuǎn)的地方，并把鵝卵石卷入其中，隨著朝著現(xiàn)在的軌道旋轉(zhuǎn)，它們的體型變得越來越大。整個(gè)過程可能發(fā)生在原行星盤的生命周期中。這在舊有理論中是不可能發(fā)生的，因?yàn)樵谀敲催h(yuǎn)的距離沒有足夠的星子來有效地加積。

一個(gè)更大的問題仍然沒有答案，即最初的原行星從何而來?一種可能是被稱為“雪線”(snow line)的地方，即可以讓液態(tài)水結(jié)冰的恒星距離。在那里，塵埃和鵝卵石的物理性質(zhì)發(fā)生了變化，因?yàn)樗鼈兘?jīng)歷了從濕到干的過程。它們開始聚集起來，不像其他恒星環(huán)繞的圓盤，它們可以形成更大的體積，充當(dāng)其他鵝卵石加積的行星種子。

蘇黎世大學(xué)天體物理學(xué)家喬安娜·德拉科斯卡(Joanna Dr??kowska)說最近表示，這使“雪線”稱為首顆原行星誕生的最佳地點(diǎn)。當(dāng)這些最初的原行星形成之后，它們就可以開始在圓盤上吞噬其他鵝卵石。這種情況可能發(fā)生在最著名的行星系統(tǒng)之一身上，即擁有7顆類地行星的恒星TRAPPIST-1，它距離地球39光年。

阿姆斯特丹大學(xué)天文學(xué)家克里斯·奧梅爾(Chris Ormel)和他的同事們最近計(jì)算出，原行星開始在恒星周圍的“雪線”上形成，然后通過吸積鵝卵石迅速生長(zhǎng)。由于重力對(duì)周圍圓盤的影響，這些剛剛誕生的行星在與地球體積相當(dāng)?shù)臅r(shí)候停止壯大。奧梅爾稱：“這個(gè)特殊的系統(tǒng)很難用經(jīng)典理論來解釋，但卻符合鵝卵石加積假說。”

蘭布雷希茨表示，隨著天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)越來越多的行星和恒星，鵝卵石加積假說可以幫助他們理解更多行星是如何進(jìn)化的，它使所有的行星形成更具活力。 (小小)

標(biāo)簽： 新說 鵝卵石 地球