行星的誕生故事看似是一步步朝各階段前進的穩定過程,但實際上卻混亂無比。
撰文╱林潮(David N. C. Lin)
翻譯/李沃龍

重點提要
■10年前,研究行星形成的科學家還只能以我們太陽系這唯一的例子做為建構理論的依據。現在他們已發現了數十個成熟的行星系統,以及數十個孕育中的系統,可做參照的對象。其中,沒有任何兩個系統是完全相同的。
■目前主要的行星形成理論的基本概念是,行星是由微小顆粒聚積並攫取氣體而形成的。但這概念其實跳過了許多錯綜複雜的層次。各種可能機制間混亂的交互影響,使得各版本的行星形成理論之間產生巨大的差異。

在整個敘述膨脹宇宙的偉大故事中,行星雖然只是個無足輕重的小角色,但卻是宇宙裡最豐富多變且錯綜複 雜的天體。沒有任何其他天體和行星一樣,同時經歷了天文、地質、化學與生物等各層面複雜的交互作用。宇宙中更沒有其他地方,能夠像行星一樣維持我們所知道 的生命現象,像我們太陽系這樣的行星系統,在許多方面其實差異極大;而在過去10年裡,即便天文學家並未特意搜索,卻已經意外發現了200顆以上的行星。

這些行星具有各式各樣的質量、大小、組成與軌道,對於想要探索它們起源的人來說,是極大的挑戰。 1970年代我還是個研究生時,我們認為行星的形成是個井然有序、模式固定的過程;就像是一條裝配線,把雜亂無章的氣盤與塵埃,製造成許多類似太陽系的行 星系統。現在,我們逐漸理解那其實是個混亂無序的過程,每個系統的結局截然不同。最終所勝出的世界,是在創生與毀滅這兩種紛擾躁動、互相競爭之機制下的倖 存者,其中有許多行星會爆裂開,被剛誕生的恆星吞食,或者被彈射進星際深空。我們地球也許有失散多時的兄弟姊妹,正在黯淡無光的太空中飄浮流浪。

行星形成的研究涉及天文物理、行星科學、統計力學與非線性動力學等領域,行星科學家已大致發展出兩種 主要理論。連續吸積(sequential-accretion)學說認為,細微的塵埃顆粒會聚積成堅硬的石塊,然後吸引大量氣體,形成木星般的氣態巨行 星(gas giant);若沒有吸引到大量氣體,就變成類似地球的固態行星。這理論的主要缺點是整個過程太緩慢,氣體可能在行星建構完成前便逸散無蹤了。

另一個是重力不穩定性(gravitational-instability)學說,它認為氣態巨行 星形成於不成熟氣盤與塵埃崩解時的驟然撕裂聲中,這是一種恆星形成過程的小型翻版。這項假說仍有爭議,因為它假設必須有非常不穩定的條件存在,而自然環境 可能無法滿足這種極端條件。況且,天文學家已經發現最重的行星與最輕的恆星間有道鴻溝,也就是說,尺度介於兩者之間的天體非常稀少。這個不連續性意味著行 星的形成並非等同單純的小型恆星,它應該和恆星有著全然不同的起源。

雖然研究人員尚未完全解決這個爭論,但多數認為連續吸積學說是兩者之中較可行的理論。我將在這裡探討此學說。

1.星際雲崩塌
時間:0(行星形成過程的起點)
我們太陽系所在的星系,是由1000多億顆恆星所構成的,恆星間瀰漫著的雲氣與塵埃,大部份是前幾代恆星所遺留下來的殘骸。「塵埃」在這裡指的是凝聚在恆 星外層較冷的微小冰粒、鐵,以及其他固態物質,它們在恆星死亡時被拋入星際空間中,當雲氣夠冷且夠緻密時,就會因重力坍塌而形成恆星。這整個過程需要10 萬至數百萬年(參見延伸閱讀1)。

環繞在每一顆恆星周遭的旋轉圓盤是由剩餘物質構成的,而那就是建構行星的必要物資。剛形成的圓盤主要成份是氫氣與氦氣,在圓盤高溫緻密的內層區域,塵埃顆粒會被氣化,而在又冷又稀薄的外層,塵埃粒子可以倖存,並且會因為氣體凝結在它們身上而成長。

天文學家已發現了許多年輕恆星的周圍環繞著這種圓盤。年齡介於100萬~300萬年的恆星具有富含氣 體的圓盤;而恆星的年齡大於1000萬年以上時,其圓盤則貧瘠而缺乏氣體,因為氣體不是被剛誕生的恆星、就是被鄰近的亮星吹散了。而在這兩段時間之間就是 行星形成的時期。圓盤的重元素含量大致與太陽系行星所具有的重元素含量相當,這提供了一個強而有力的線索,證實行星的確來自於這類氣盤。
結果:新誕生的恆星周圍環繞著氣體與微米大小的塵埃顆粒。

2.行星盤出現
時間:大約100萬年
原行星盤裡的塵埃顆粒會受到鄰近氣體的翻攪而與其他塵埃碰撞,有時會黏在一塊,有時則彼此分離。塵埃顆粒吸收星光後,再發射短波長的紅外光,確保熱能傳達 到圓盤內部最陰暗的角落。氣體的溫度、密度與壓力隨著與恆星距離的增加而遞減。由於需顧及壓力、旋轉與重力的平衡,氣體繞著恆星的速度,會比獨立物體以同 樣距離繞行的速度稍慢。

如此一來,直徑大於數毫米的塵埃顆粒速度將比氣體還快,因而遭遇逆風使速度降低,導致它們朝著恆星向內盤旋。顆粒越大,盤旋的速度就越快,顆粒的大小每增大一公尺,就可以在1000年內將它與恆星的距離減半。

當它們靠近恆星,顆粒的溫度會升高,最終使得水份與其他低沸點的揮發性物質沸騰起來。這個現象發生時 的距離稱為「雪線」(snow line),大約離恆星2~4個天文單位(AU,1AU等於一個地球軌道的半徑)。我們太陽系的雪線位置,就落在火星軌道與木星軌道之間。雪線將行星系統 劃分為擁有固態物體但揮發性物質稀少的內行星區,以及富含揮發性物質與冰冷物體的外行星區。

在雪線上,水分子從塵埃顆粒上蒸騰之後會聚積在一塊兒,而水份的聚積則會引發一連串的效應,使得雪線 上的氣體性質產生不連續性,進而導致該處的壓力下降。然後,力的平衡將促使氣體加速環繞中心恆星,結果造成附近的顆粒不再感受到逆風,反而是令它們提升速 度的順風,因而阻止它們進一步向內遷移。當顆粒不斷從圓盤外層抵達時,便會堆積在雪線上,這樣一來,雪線就變成雪庫了。

塵埃顆粒會因擠在一起彼此碰撞而成長,有些顆粒會衝破雪線,持續向內移動,但在這過程中,它們會吸附融雪及複雜的分子,變得更黏稠。有些地方因吸附了太厚的塵埃,使得顆粒整體的重力亦加速了它們自身的成長。

經由這些過程,塵埃顆粒將自己包裹成直徑以公里計的物體,稱做微行星(planetesimal)。在微行星形成的階段結束前,微行星會把絕大多數的原始塵埃清掃乾淨。微行星很難直接觀測到,但天文學家可從它們碰撞的殘骸推論出它們的存在(參見延伸閱讀2)。
結果:出現大量公里尺度的微行星,是建構行星的材料。

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