研究人員建立了一個新的行星形成模型，該模型顯示了原行星盤中的擾動是如何迅速形成氣態巨行星的。這個過程比以前認為的更有效率，而且與最近對遙遠氣態巨行星的觀測結果相吻合。

模型插圖，顯示木星、土星或天王星等氣態巨行星如何在太陽系中從原始行星盤的塵埃中迅速形成，然後將塵埃帶入其軌道之外的區域。圖片來源：© Thomas Zankl / crushedeyesmedia / LMU

我們的近鄰是太陽系。我們對它瞭如指掌：太陽位於中心；然後是岩石行星水星、金星、地球和火星；然後是小行星帶；接著是氣態巨行星木星和土星；然後是冰態巨行星天王星和海王星；最後是柯伊伯帶及其彗星。

但是，我們對自己的家到底了解多少呢？過去的理論認為，巨行星是由類似小行星的天體（即所謂的”planetesimals”）碰撞和積聚形成的，隨後氣體經過數百萬年的積累而形成。然而，這些模型既不能解釋遠離恆星的氣態巨行星的存在，也不能解釋天王星和海王星的形成。

慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學（Ludwig Maximilian University of Munich，LMU）、ORIGINS 星群和馬克斯-普朗克太陽系研究所（Max Planck Institute for Solar System Research，MPS）的天文物理學家們開發了有史以來第一個包含行星形成過程中所有必要物理過程的模型。利用這個模型，他們證明了原行星盤中的環狀擾動，即所謂的子結構，可以引發多個氣態巨行星的快速形成。研究結果與最新觀測結果相吻合，顯示巨行星的形成可能比以前認為的更有效、更迅速。

研究人員用他們的模型展示了毫米大小的塵埃粒子是如何在湍流氣體盤中以空氣動力學方式積累起來的，以及盤中的這種初始擾動是如何捕獲塵埃並防止其向恆星方向消失的。這種累積使行星的生長變得非常高效，因為在一個緊湊的區域內突然出現了大量的”建築材料”，並且具備了行星形成的適當條件。

Til Birnstiel。圖片來源：Jan Greune / LMU

LMU理論天體物理學教授、ORIGINS卓越小組成員蒂爾-伯恩斯蒂爾（Til Birnstiel）解釋說：”當行星大到足以影響氣體盤時，就會導致氣體盤更遠處的塵埃重新富集。

“這是首次透過模擬追蹤微塵成長為巨行星的過程，”該研究的第一作者、德國慕尼黑大學博士生劉宇智浩（Tommy Chi Ho Lau）說。

在太陽系中，氣態巨行星與太陽的距離約為5 天文單位（au）（木星）到30 天文單位（海王星）。相較之下，地球距離太陽約1.5 億公里，相當於1 au。

這項研究表明，在其他行星系統中，擾動可能會在更遠的距離上啟動這個過程，而且仍然會非常迅速地發生。近年來，ALMA射電天文台經常觀測到這類系統，並在距離超過200 au 的年輕星盤中發現了氣態巨行星。不過，這個模型也解釋了為什麼我們的太陽系在海王星之後顯然不再形成更多的行星：因為”建築材料”已經用完了。

研究結果與目前對年輕行星系統的觀測結果相吻合，這些年輕行星系統的盤中有明顯的亞結構。這些亞結構在行星形成過程中扮演決定性角色。這項研究表明，巨行星和氣態巨行星的形成過程比以前假定的效率更高、速度更快。這些新見解可以完善我們對太陽系巨行星起源和發展的理解，並解釋所觀測到的行星系統的多樣性。

編譯自/ ScitechDaily