行星是如何形成的？一颗突然闯入太阳系的流浪太空岩石揭开谜底

　　2017年，一块形状奇特、轨道异常不稳定的岩石席卷了太阳系， 它一到就离开 。天文学家很快意识到它不是来自这里的。它从上到下穿过行星的轨道平面，就像向飞镖盘的同心环投掷的飞镖一样，它移动得非常快，速度太快以至于无法被太阳引力捕获。它也非常黑暗，看起来奇怪地被拉长了，但由于它速度如此之快，它的许多特性将永远保持神秘。
　　但事实证明，这颗有史以来观测到的第一颗星际小行星并不是独一无二的。它甚至可能并不那么罕见。天文学家开始意识到，像它这样的物体可能会遍布整个银河系，数量可能如此之多，以至于它们会影响更大世界的形成，甚至可能影响整个行星系统——包括我们自己的行星系统。
　　这颗被命名为＂Oumuamua＂的小行星的出现是天文学巨变的戏剧性证明：承认太阳系并不存在于真空中，至少在比喻上是这样。没有行星是孤岛，也没有孤立的恒星形成。宇宙中充满了跨越距离和时间跨度相互作用的物质，远超研究人员长期以来的认知，从难以想象的巨大气体喷流流经星际空间，到像蒲公英种子一样散落在风中的＂Oumuamua＂式小行星碎屑。
　　这种认识正在改变天文学家对恒星系统形成方式的看法。例如，研究行星系统诞生的研究人员以前从未考虑过诸如天体物理气流之类的事情。＂以前，我们只能呆在自己的车道上，＂加州大学戴维斯分校的行星科学家莎拉·T·斯图尔特( Sarah T. Stewart)说。但是当研究人员对太阳系的配方进行逆向工程时，他们现在正在将整个宇宙的成分汇集在一起。
　　从这项工作中萌芽的新想法已经开始为各种系外行星的奥秘提供潜在的答案。例如，行星似乎比天体物理学家认为的要早得多。此外，巨大的行星似乎是从相对少量的气体和尘埃中生长出来的——这是天文规模上的面包和鱼的把戏。天文学家正试图了解仅比地球大一点的行星的稀有性。
　　所有这些都指向一个严酷的事实：行星科学家对行星是如何形成的仍然没有绝对的理解。他们的模型众多且不完整。但是现在，随着来自这些不同学科中的一些想法的迅速结合，研究人员开始对行星形成过程有更深入的了解。斯图尔特说，＂事实上，我们还没有确定任何一件事＂关于行星是如何形成的，＂因为我们学到了很多新东西。＂ 一颗种子形成的行星
　　去年，在瑞士举行的关于＂Oumuamua 的会议上，Michele Bannister和Susanne Pfalzner在喝咖啡休息时坐在一起。德国于利希研究中心的天文学家普法尔兹纳随口问行星形成专家班尼斯特，如果来自星际空间的类似＂Oumuamua 的物体穿过围绕着一颗年轻恒星的圆盘会发生什么。＂盘里这些东西有什么作用？＂ 她问。＂如果星际物体进入原行星盘，它会做什么？＂
　　Bannister 曾撰写过一篇关于 ＂Oumuamua 的早期论文，他想了一分钟。＂Oumuamua 大约有 100 米长——大到足以在翻滚的尘埃和气体云中激起涟漪。＂我们互相看了看，我们想，＂这一定很重要，＂＂班尼斯特说。两人开始勾勒想法。
　　贝尔法斯特女王大学的天文学家班尼斯特说：＂我越看这个，我就越不敢相信有人还没想到这一点。＂
　　在4 月份发表在 《天体物理学杂志快报》上 的一篇论文中，班尼斯特和普法尔兹纳认为，像＂Oumuamua这样的岩石可能是行星形成的催化剂。他们说，可能有数以亿计的这样的物体在宇宙中航行。当一个人与围绕着一颗年轻恒星的滚滚气体和尘埃相交时，它可能会引起湍流和剪切力，搅动气体，将其雕刻成后来形成行星的图案。
　　此外，他们争辩说‘类似＂Oumuamua的物品可能以合适的速度移动成为永久居民。婴儿太阳系可以捕获大量这些星际旅行者。在他们的新家中，这些移民将开始收集较小的鹅卵石和灰尘颗粒，逐渐长成更大的物体。在这样做时，它们将为卵石吸积提供构建基块，这是一种解释大型物体如何快速成长为行星的理论。
　　＂这不是一个巨大的质量；更重要的是它们在磁盘中的存在会触发它，＂Pfalzner 说。＂这是一个种子阶段。你可以种一棵大树，但它总是从一颗小种子开始。这不是种子的质量。如果你愿意，这就是潜力。＂
　　需要某种种子。最近来自阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列等望远镜的观测表明，行星在年轻恒星周围的形成非常迅速。班尼斯特说，根据天文学家对行星形成的了解，这似乎很奇怪，但闯入者可能会提供帮助。
　　然而，只有当碰巧有一吨类似＂Oumuamua的物体在宇宙中航行时，这些想法才会发挥作用。几乎不可能直接找到它们——它们又黑又小，不受星星的束缚，就像没有月亮的夜晚海洋上空的小昆虫。但许多天文学家认为它们很常见。
　　＂如果你看看‘Oumuamua’，它不可能是我们太阳系的第一个星际访客；这只是我们观察到的第一个，＂北卡罗来纳州立大学的行星地质学家保罗伯恩说。＂而且不可能是唯一的，这意味着可能有很多。＂
　　最近的工作间接地认为它们确实很常见。2018 年，研究人员确定了八颗可能起源于不同恒星的双曲彗星。今年 4 月，Amir Siraj 和他的导师、哈佛大学的天文学家 Avi Loeb认为，2014 年在地球大气层中燃烧的一颗陨石也可能来自太阳系之外。
　　伯恩说：＂事实上，他们提供了可以开始积累东西的方法，这意味着，我认为，这必须是我们需要添加到我们对这些身体如何生长的理解中的合理的东西。＂
　　班尼斯特说，行星种子的概念甚至可以解释为什么没有人在银河系中最早的恒星周围发现极其古老的行星。＂也许在银河系的早期历史中，我们没有足够的种子，＂她说。＂也许[行星]形成得更慢，效率也可能更低。＂
　　然而，如果这些类似 Oumuamua 的岩石既能解释为什么在遥远的过去行星是稀有的，也能解释为什么今天的行星形成得如此之快，那么这就提出了一个新问题：第一批种子来自哪里？ 宇宙碰撞
　　气体和尘埃围绕着年轻恒星旋转，形成巨大而厚的圆盘，这些圆盘被湍流搅动并充满涡流。不知何故，在研究人员不了解的过程中，这些圆盘中的尘埃颗粒结合形成毫米大小的岩石颗粒，称为球粒。这些是太阳系最常见的太空岩石形式和球粒陨石的主要成分，球粒陨石是落在地球上的最常见的陨石形式。
　　由于球粒陨石很常见，球粒在行星被锻造时一定是一种常见的成分。它们是最早的一些固体，它们有助于确定太阳系及其基本构件的年代。研究人员对球粒如何聚集在一起形成更大的球粒陨石有一些想法。但即使有当今最好的计算机模拟和对其他行星系统最精细的观察，对于球粒本身的形成方式也没有达成共识。
　　就好像太阳系是由几十座砖房组成的。研究人员了解砖块聚集在一起建造房屋的过程。但是砖是什么做的呢？
　　斯图尔特说，部分问题在于没有一种模型可以满足球粒的所有特殊品质。这些微小的火成岩团块一定是在高达约 2000 摄氏度的温度下突然融化的，这是一种极端状态，太阳系形成的最佳模型难以再现。关于球粒如何形成的想法包括闪电；导致某种自燃的化学反应；来自附近超新星爆炸的冲击波；磁场; 像＂Oumuamua这样的小行星的碰撞；伽马射线暴；以及来自恒星形成过程中仍处于熔融状态的小行星的温暖。
　　斯图尔特提出了另一种可能性。她说，由剧烈的汽化碰撞引起的气流可以将最小的熔岩液滴推到一起，然后开始结合。这个想法的独特之处在于它以研究人员以前从未做过的方式将天体物理学与行星形成过程相结合。
　　斯图尔特研究一个奇怪的新行星的相位称为synestia，她和西蒙锁，现在的行星科学家在加利福尼亚技术研究所在2017年提出了描述月球的形成。Synestia 是一种膨胀、肿胀的气化岩石云，形状像一个松软的百吉饼。一言以蔽之，构成地球和月球的材料会彻底混合。
　　在摆弄她的一些代码时，斯图尔特意识到类似的东西可以将球粒的前体驱动在一起，以便它们可以结合，例如最终形成有凝聚力的面团的卵石饼干面糊。
　　这个过程将从星子开始，即围绕年轻太阳的原始岩石碎片。他们可能是＂Oumuamua＂这样的闯入者。或者，它们可能在我们的恒星诞生后很快就形成了。无论它们的来源如何，它们都会很丰富，并且它们会在充满气体的太阳星云内相互碰撞，在相互确保毁灭的台球游戏中。
　　当这些原始星子相撞时，它们会蒸发，它们的蒸气会膨胀到仍然炽热的太阳星云中。这种汽化会在如此高的热量和力量下发生，以致产生弓形激波，类似于飞机在穿过音障时产生声波激波的方式。弓形激波会将星云气体推出，形成一个低压中心区域。然后，当蒸汽羽流坍塌以填充这个低压区域时，气流会将蒸发的岩石液滴聚集在一起。蒸汽羽流膨胀及其随后的坍塌会产生与球粒大小一致的硅酸盐液滴。
　　斯图尔特说：＂你需要用气体把鹅卵石吹在一起，这样它们才能碰撞和结合。＂
　　这一切都发生在一瞬间——在几天到几周的时间里，在行星时间尺度上几乎没有呼吸。斯图尔特说，但这种短暂的、剧烈的过程显然对我们的太阳系是如何形成的至关重要。她指出，星云气体的作用，以及它如何与汽化的岩石相互作用，以前未被认识。
　　＂当我在研究它时，我一直看着它，然后说，＂哦，我破坏了密码！＂ 然后，＂不，等等！那是真正的物理学，＂＂她说。＂有一些我们以前从未见过的疯狂事情，因为没有人加过油。＂
　　她于 3 月在休斯顿举行的月球和行星科学会议上展示了她的早期发现，但她的结果尚未发表。
　　但是为了让她的球粒产生想法发挥作用，斯图尔特仍然需要一个初始种子——相互摧毁以制造球粒的小行星。斯图尔特和她的同事说，这些种子来自哪里是以后研究的一个问题。也许太阳系充满了＂Oumuamua 式的种子＂——正如班尼斯特和普法尔兹纳所暗示的那样，可能发生在新一代行星中。
　　尽管如此，斯图尔特说她的工作得到了＂啊哈＂的回应。＂这是纯粹意义上的发现。它有那种感觉正确的方面，＂她说。 宇宙连接
　　斯图尔特关于球粒的工作以及班尼斯特和普法尔兹纳关于行星形成的想法是一种新兴理解的一部分，即即使在太空中，一切都是相互关联的。＂你必须经历天体物理学的大量不同领域，＂Pfalzner 说：＂星际介质、分子云、恒星的形成、它们周围的圆盘、行星的形成。＂
　　来自大型天气巡天望远镜(LSST)等未来天文台的数据可能会加剧考虑许多不同尺寸尺度的需求。LSST 或许能够解析太阳系中的微小鹅卵石，让天文学家能够寻找更多类似＂Oumuamua 的物体＂。＂我认为，如果我们的太阳系充满了来自其他太阳系的星际碎片，还有其他太阳系的碎片漂浮在周围，这真的非常令人兴奋，＂伯恩说。＂LSST 将打开这个全新的世界＂，它将我们的太阳系与整个宇宙中跨越时空的其他太阳系连接起来。
　　班尼斯特说，＂其中的含义非常有趣。＂
　　作者：Rebecca Boyle
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