超级地球是怎样形成的？

行星系统的生命周期开始于一个巨大的尘埃和气体盘——原行星盘，这个旋转的圆盘是经过大约几百万年形成的。在一个恒星—行星系统中，恒星是中心，大部分气体都向着恒星聚集，而尘埃等固态物质缓慢聚合成小行星、彗星、行星及卫星。

太阳系中的情况

在太阳系中，有两类不同的行星：较小的是内行星，它们多由岩石构成，都靠近母恒星——太阳；
较大的是外行星，它们富含水和氢气，都远离太阳。在2021年初发表的一项研究中，两位科学家根据这种双分法认为，太阳系行星形成于两个不同的原行星盘：其中一个是内行星盘，内行星就形成于这个行星盘；
另一个是外行星盘，它们催生出了含冰且个头巨大的外行星，其中两颗行星——木星和土星后来演变成了气态巨行星。

太阳系中的行星们（示意图）

一个模型被否定

在迄今发现的5000多颗太阳系外行星中，31%属于超级地球。正如其名，超级地球的质量比地球大，而且大好几倍，甚至更大，其中一部分超级地球甚至有氢气大气层，因此它们看上去很像气态巨行星。此外，它们常被发现近距离环绕其母恒星。上述两位科学家推测，超级地球原本位于远离母恒星的轨道中，但后来逐渐迁徙到靠近母恒星的地方。

超级地球当然与地球不同。那么，超级地球是怎么形成的？多年前，这两位科学家建立了这样一个模型：超级地球在原行星盘中的含冰区域形成，然后一路迁徙到靠近母恒星的原行星盘内沿。这个模型能解释超级地球的质量和轨道，但又预测超级地球都富含水。而最近的观测表明，哪怕拥有氢气大气层，大多数超级地球仍然像地球一样主要由岩石构成。因此，这个模型不成立。

系外行星（想象图）

答案可能早就有了

过去五年里，科学家们在探测超级地球的过程中发现了超级地球更奇特的一点：虽然超级地球类型多样，但只要是位于同一个恒星—行星系统内的多颗超级地球，其在轨道间隔（轨道与母恒星之间距离）、大小、质量及其他主要特征方面都近似，就好像它们是由同一家“行星工厂”生产出来的。那么，一个什么样的过程能既生成像太阳系里那样的岩石行星（内行星），又能形成形制同样堪称整齐划一的超级地球？

答案可能早在2020年就被上述两位科学家找到了，只不过他们当时没料到这个答案可推广至系外行星的形成。

木星的四大衛星（示意图）

先解释四大木卫

回到2020年，当时上述两位科学家提出了有关木星的四大卫星（木卫一艾奥、木卫二欧罗巴、木卫三加尼美得、木卫四卡利斯托，它们的特征相近）成因的一种新理论。事实上，与其说这是一种理论，不如说他们证明了这一点：对一定大小范围内的尘埃颗粒来说，把它们朝着木星拖曳的力量与气体流把它们带到远离木星处的力量相互完美抵消。这种力量的平衡创生了一条物质环，环中物质最终聚集成了四颗大木卫。

该理论还认为，这些大木卫不断长大，最终大到能在气体驱动的迁徙作用下脱离物质环。此后，这些大木卫停止生长。这样就能解释为什么这四大木卫特征相近。

太阳系外的原行星盘（想象图）

“行星工厂”所在地

上述两位科学家在最近的一篇新论文中又提出，恒星周围的行星形成机制与此大同小异。对行星来说，固态岩石物质的大规模聚集出现在原行星盘中一条窄窄的物质带——硅酸盐凝华线（相当于创生四大木卫的物质环）上。在这个区域中，气态硅酸盐凝华形成石块。他们解释说，在原行星盘中气体的环绕速度较慢，尘埃颗粒的环绕速度则较快，因此尘埃颗粒在“逆风”状态下旋转着接近恒星；
反之，蒸气旋转着，随着不断扩展的原行星盘中的气体一道向外而去；
于是，物质聚集地就是从气体过渡到固体的地方——硅酸盐凝华线。

这两位科学家认为，硅酸盐凝华线很可能就是“行星工厂”所在地。随着时间推移，“行星工厂”造就了多颗大小近似的岩石行星。不仅如此，随着行星质量越来越大，它们与原行星盘之间的相互作用容易让它们逐渐靠近母恒星。

新理论可信度高

这种新理论其实始于这两位科学家对现有行星成因模型的调查。他们发现这些模型都无法解释超级地球之间的相似性，而且这些模型都假设固态物质在原行星盘中到处都分布。他们提出的新理论则摒弃这种假设，而是假设首批固态物质——行星胚胎形成于原行星盘中的仅仅一部分地带——岩石物质环（即硅酸盐凝华线）中。这样就能以一种统一架构来解释不同类型的恒星—行星系统。尤其值得一提的是，这一新理论得到了计算机模拟的全面支持。

根据这一新理论，如果原行星盘中的岩石物质环包含大量物质，行星就会长大到能脱离岩石物质环的地步，由此形成彼此相近的大量超级地球。而如果岩石物质环中的物质较少，那么产生的行星就会像太阳系中的内行星。

这一新理论被认为是近年来的一大突破，因为它不仅能解释超级地球之间的相似性，而且解释的可信度在目前看来是最高的。

恒星—行星系统从诞生到成型

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