尽管从宇宙的角度来看，行星只是微不足道的碎片——对于天体膨胀的宏大叙事而言微不足道——但行星是宇宙中最多样化和最复杂的物体类别。没有其他天体支持如此复杂的天文、地质、化学和生物过程的相互作用。宇宙中没有其他地方可以支持我们所知的生命。我们太阳系的世界种类繁多，即使这样，它们也几乎没有让我们为过去十年的发现做好准备，在此期间，天文学家发现了 200 多颗行星。
这些天体质量、大小、成分和轨道的巨大多样性挑战了我们这些试图理解其起源的人。当我在 20 世纪 70 年代读研究生时，我们倾向于将行星形成视为一个井然有序、确定性的过程——一条将无定形的 газопылевых 盘变成我们太阳系副本的装配线。现在我们意识到这个过程是混沌的，每个系统都有不同的结果。最终出现的世界是创造和破坏的竞争机制激烈竞争的幸存者。许多天体被炸裂，被送入其系统新生恒星的火焰中，或被抛射到星际空间中。我们自己的地球可能也有失散多年的兄弟姐妹在黑暗的虚空中游荡。
行星形成的研究位于天体物理学、行星科学、统计力学和非线性动力学的交叉点。广义上讲，行星科学家已经发展出两种主要的理论。顺序吸积 сценарий 认为，微小的尘埃颗粒聚集在一起形成岩石固体核，这些核要么吸入大量的气体，成为像木星这样的气体巨星，要么不吸入气体，成为像地球这样的岩石行星。这种 сценарий 的主要缺点是过程缓慢，而且气体可能会在完成之前就消散。
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另一种引力不稳定性 сценарий 认为，气体巨星是在 газопылевых 盘突然瓦解时形成的——这个过程在微观层面复制了恒星的形成。这个假说仍然存在争议，因为它假设存在高度不稳定的条件，而这些条件可能无法实现。此外，天文学家发现，最重的行星和最轻的恒星之间存在“沙漠”——中间天体的稀缺。这种脱节意味着行星不仅仅是小恒星，而是有着完全不同的起源。
尽管研究人员尚未解决这场争议，但大多数人认为顺序吸积 сценарий 是两者中最合理的。我将在此处重点介绍它。
1. 星际云坍缩 时间：0（行星形成序列的起点）
我们的太阳系属于一个拥有约 1000 亿颗恒星的星系，其中穿插着 газопылевых 云，其中大部分是前几代恒星的残骸。“尘埃”在此背景下仅指微小的水冰、铁和其他固体物质，这些物质在恒星凉爽的外层凝结，并被吹入星际空间。当云足够冷且密度足够大时，它们会在重力作用下坍缩形成恒星团，这个过程需要 10 万到几百万年 [参见托马斯·P·雷的“青春之泉：恒星生命的早期”；《大众科学》，2000 年 8 月]。
围绕每颗恒星的是一个旋转的剩余物质盘，这是制造行星的必要条件。新形成的盘主要包含氢气和氦气。在它们炎热而稠密的内部区域，尘埃颗粒被汽化；在凉爽而稀薄的外部区域，尘埃颗粒得以幸存并随着蒸汽凝结到它们身上而生长。
天文学家已经发现了许多被这种盘包围的年轻恒星。年龄在一百万到三百万年之间的恒星拥有富含气体的盘，而年龄超过一千万年的恒星则拥有贫瘠的、贫气体的盘，气体已被新生恒星或明亮的邻近恒星吹走。这段时间划定了行星形成的时代。这些盘中重元素的质量大约相当于太阳系行星中重元素的质量，这为行星确实起源于这种盘提供了强有力的线索。
终点：新生恒星被气体和微米级尘埃颗粒包围
2. 圆盘自行分类 时间：约 100 万年
原行星盘中的尘埃颗粒被附近的气体搅动并相互碰撞，有时粘在一起，有时破碎。颗粒拦截星光并重新发射波长较低的红外光，确保热量到达圆盘内部最黑暗的区域。气体温度、密度和压力通常随着与恒星距离的增加而降低。由于压力、旋转和重力的平衡，气体围绕恒星的轨道运行速度略低于同一距离的独立天体。
在雪线本身，水分子倾向于在从颗粒上沸腾时积聚。水的这种积聚引发了一系列连锁反应。它在雪线处产生气体性质的不连续性，从而导致那里的压力下降。力的平衡导致气体加速其围绕中心恒星的旋转。因此，附近的颗粒感觉到的不是顶风而是顺风，这提高了它们的速度并阻止了它们的向内迁移。随着颗粒继续从圆盘的外部部分到达，它们在雪线处堆积起来。实际上，雪线变成了雪堆。
挤在一起的颗粒碰撞并生长。一些颗粒突破雪线并继续向内迁移，但在过程中，它们会被冰泥和复杂分子覆盖，这使它们更粘稠。一些区域尘埃非常浓厚，以至于颗粒的集体引力也加速了它们的生长。
通过这些方式，尘埃颗粒将自身堆积成公里大小的天体，称为星子。到行星形成阶段结束时，星子已经扫走了几乎所有的原始尘埃。星子很难直接看到，但天文学家可以从它们碰撞产生的碎片中推断出它们的存在 [参见戴维·阿迪拉的“行星系统的隐藏成员”；《大众科学》，2004 年 4 月]。
终点：成群的公里大小的积木，称为星子
3. 行星胚胎萌芽 时间：100 万至 1000 万年
水星、月球和小行星上布满陨石坑的景观让人毫不怀疑，新生的行星系统是射击场。星子之间的碰撞要么构建它们，要么将它们分解。凝结和碎裂之间的平衡导致尺寸分布，其中小天体占新兴系统中大部分表面积，而大天体占其大部分质量。轨道最初可能是椭圆形的，但随着时间的推移，气体阻力和碰撞往往会使围绕恒星的路径变成圆形。
一开始，天体的生长是自我强化的。星子越大，它施加的引力就越强，它扫走较小质量的伙伴的速度就越快。然而，当它们达到与我们月球相当的质量时，天体施加的引力如此强大，以至于它们会搅动周围的固体物质，并在它们能够与之碰撞之前转移大部分物质。通过这种方式，它们限制了自己的生长。因此，“寡头统治”出现了——也就是说，质量相似的行星胚胎群体相互竞争剩余的星子。
每个胚胎的进食区都是以其轨道为中心的狭窄带。一旦它获得了该区域中大部分剩余的星子，它的生长就会停滞。通过简单的几何形状，区域的大小和进食的持续时间随着与恒星距离的增加而增长。在 1 天文单位的距离处，胚胎在大约 10 万年内达到约 0.1 个地球质量的平台期。在 5 天文单位处，它们在几百万年内达到 4 个地球质量。胚胎在雪线附近或圆盘间隙边缘可以长得更大，星子也倾向于在那里积聚。
寡头统治式的生长使系统中充满了过剩的有抱负的行星，其中只有一部分能够成功。我们太阳系中的行星似乎间隔很远，但它们已经尽可能地靠近了。在类地行星之间现在的空间中插入另一颗地球质量的行星会使所有行星都不稳定。其他已知的系统也是如此。如果您遇到一杯咖啡，咖啡已满到杯沿，您可以合理地推断出有人实际上倒得太满了，洒了一些咖啡；正好倒满，不浪费一滴，似乎不太可能。同样，行星系统可能开始时拥有比最终拥有的更多的物质。天体被抛射出去，直到系统达到平衡配置。天文学家已经观察到年轻恒星团中自由漂浮的行星。
终点：“寡头统治”的月球质量到地球质量的行星胚胎
4. 气体巨星诞生 时间：100 万至 1000 万年
木星可能起源于一个与地球大小相当的种子，然后积累了约 300 个地球质量的气体。如此惊人的增长取决于各种竞争效应。胚胎的重力从圆盘中吸入气体，但下落的气体释放能量，如果想要稳定下来，就必须冷却。因此，生长速度受到冷却效率的限制。如果冷却速度太慢，恒星可能会在胚胎有机会形成厚厚的大气层之前吹走圆盘中的气体。主要的热传递瓶颈是通过新兴大气层外层的辐射通量，这取决于气体的不透明度（主要由其成分决定）和温度梯度（主要由胚胎的初始质量决定）。
早期模型表明，胚胎需要具有临界质量，约为地球质量的 10 倍，才能允许足够快的热传递。如此大的胚胎可能出现在雪线附近，那里会较早积累物质。这可能是木星位于雪线之外的原因。如果圆盘包含的原材料比行星科学家过去假设的要多，它们也可能出现在其他地方。事实上，天文学家现在已经观察到许多恒星的圆盘比传统估计的密度高几倍，在这种情况下，热传递不会构成无法克服的问题。
另一个不利于气体巨星的因素是胚胎倾向于螺旋向内朝向恒星。在一个称为 I 型迁移的过程中，胚胎在 газопылевых 圆盘中触发一个波，反过来，这个波在引力上拉动胚胎的轨道。波的模式像船的尾迹一样跟随行星。距离恒星较远一侧的气体比胚胎旋转得慢，并起到阻碍胚胎的作用，使其减速。与此同时，轨道内部的气体旋转得更快，并起到向前拉动胚胎的作用，使其加速。外部区域较大，在拉锯战中获胜，并导致胚胎失去能量并在一百万年内向内下降几个天文单位。这种迁移倾向于在雪线附近停滞，在那里，顶风变成顺风，并为胚胎的轨道提供额外的推动力。这可能是木星位于现在位置的另一个原因。
胚胎生长、胚胎迁移和气体耗尽大约以相同的速度发生。哪个胜出取决于运气。事实上，几代胚胎可能会开始这个过程，但最终会在完成之前迁移走。在它们之后，来自圆盘外部区域的新鲜星子批次进入并重复这个过程，直到最终成功形成气体巨星，或者气体丢失并且永远无法扎根气体巨星。天文学家在他们检查过的类太阳恒星中，仅在约 10% 的恒星周围探测到木星质量的行星。这些行星的核心可能是许多代胚胎的稀有幸存者——最后的莫希干人。
过程之间的平衡取决于系统最初的物质禀赋。近三分之一的富含重元素的恒星被木星质量的行星环绕。据推测，这些恒星拥有更密集的圆盘，这些圆盘产生了更大的胚胎，可以规避热传递瓶颈。相反，在较小或重元素较少的恒星周围形成的行星较少。
一旦生长开始加速，它就会以惊人的速度加速。在 1000 年内，一颗木星质量的行星可以获得其最终质量的一半。在这个过程中，它散发出如此多的热量，以至于可以短暂地盖过太阳的光芒。当行星变得足够大，可以将 I 型迁移掉头时，行星就会稳定下来。不是圆盘移动行星的轨道，而是行星移动圆盘中气体的轨道。行星轨道内部的气体比行星旋转得快，因此行星的引力倾向于阻碍它，导致它向恒星方向坠落——也就是说，远离行星。行星轨道外部的气体旋转得较慢，因此行星倾向于加速它，导致它向外移动——再次远离行星。因此，行星在圆盘中打开一个间隙，并切断其原材料供应。气体试图重新填充间隙，但计算机模拟表明，如果行星的质量在 5 天文单位处超过约一个木星质量，行星就会赢得这场斗争。
这个临界质量取决于时间。行星形成得越早，它就能长得越大，因为剩余的气体很多。土星可能获得的质量低于木星，仅仅是因为它晚形成了数百万年。天文学家已经注意到，在 20 个地球质量（海王星的质量）到 100 个地球质量（土星的质量）范围内的行星短缺，这可能是精确时间的一个线索。
终点：木星大小的行星（或没有）
5. 气体巨星变得不安分 时间：100 万至 300 万年
奇怪的是，过去十年发现的许多系外行星都非常靠近它们的恒星运行，比水星绕太阳运行得近得多。这些所谓的“热木星”不可能在它们目前的位置形成，仅仅是因为轨道进食区太小，无法提供足够的物质。它们的存在似乎需要一个三部分的事件序列，而这个序列由于某种原因并没有在我们自己的太阳系中发生。
首先，气体巨星必须在行星系统的内部部分，在雪线附近形成，同时圆盘仍然有相当数量的气体。这需要在圆盘中高度集中固体物质。
其次，这颗巨行星必须移动到它现在的位置。I 型迁移无法实现这一点，因为它在胚胎积累大量气体之前就起作用了。相反，必须发生 II 型迁移。新兴的巨行星在圆盘中打开一个间隙，并抑制气体流过其轨道。这样做时，它必须对抗圆盘相邻区域的湍流气体扩散的趋势。气体永远不会停止渗入间隙，并且其向中心恒星的扩散迫使行星失去轨道能量。这个过程相对缓慢，需要数百万年才能将行星移动几个天文单位，这就是为什么行星必须从太阳系内部开始才能最终紧贴恒星。当它和其他行星向内迁移时，它们会沿着其路径推动任何剩余的星子和胚胎，可能在紧密的轨道上形成“热地球”。
第三，必须在行星完全落入恒星之前阻止迁移。恒星磁场可能会清除恒星周围空腔中的气体；没有气体，迁移就会停止。或者，也许行星会在恒星上引起潮汐，而恒星反过来会扭转行星的轨道。这些安全措施可能并非在所有系统中都有效，许多行星很可能完全坠落。
终点：紧密轨道运行的巨行星（“热木星”）
6. 其他巨行星加入这个家庭 时间：200 万至 1000 万年
如果一颗气体巨星设法出现，它将促进后续气体巨星的形成。许多，甚至可能是大多数已知的巨行星都有质量相当的兄弟姐妹。在我们的太阳系中，木星帮助土星比它自己更快地出现。它还帮助了天王星和海王星，没有它，它们可能永远无法长到现在的尺寸；在它们与太阳的距离上，未经辅助的形成过程非常缓慢，以至于圆盘会在完成之前很久就消散，留下发育不良的世界。
开创性的气体巨星具有几个有益的影响。在其打开的间隙的外边缘，物质会像在雪线处一样积累，原因大致相同——即，压力差导致气体加速并充当颗粒和星子上的顺风，阻止它们从圆盘更远的区域迁移。第一颗气体巨星的另一个影响是，它的引力倾向于将附近的星子抛到系统的外围，在那里它们可以形成新的行星。
第二代行星是由第一颗气体巨星为其收集的物质形成的。时间安排至关重要，时间尺度上相当小的差异可能会导致结果的巨大差异。就天王星和海王星而言，星子的积累实在是太过分了。胚胎变得格外巨大，大约 10 到 20 个地球质量，这延迟了气体吸积的开始——到那时，几乎没有气体可以吸积了。这些天体最终只获得了大约两个地球质量的气体。它们不是气体巨星，而是冰巨星，而冰巨星实际上可能被证明是更常见的巨行星类型。
第二代行星的引力场给系统带来了额外的复杂性。如果天体形成得太近，它们彼此之间以及与 газопылевых 圆盘的相互作用可能会将它们弹射到新的、高度椭圆的轨道上。在我们的太阳系中，所有行星都具有近乎圆形的轨道，并且间隔足够远，可以相互免疫影响。然而，在其他行星系统中，椭圆轨道是常态。在一些系统中，轨道是共振的——也就是说，轨道周期通过小整数比率相关。出生在这种状态下是非常不可能的，但当行星迁移并最终在引力上相互锁定在一起时，它会自然而然地出现。这些系统与我们系统之间的差异可能仅仅是最初分配的气体。
大多数恒星在星团中形成，超过一半的恒星有双星伴星。行星可能在一个与恒星轨道平面不同的平面上形成。在这种情况下，伴星的引力会迅速重新调整和扭曲行星的轨道，从而形成非平面系统，如我们的太阳系，而是球形系统，如围绕蜂巢嗡嗡作响的蜜蜂。
终点：巨行星集团
7. 类地行星组装 时间：1000 万至 1 亿年
行星科学家预计类地行星比气体巨星更普遍。气体巨星的孕育涉及竞争效应的精细平衡，而岩石行星的形成应该相当稳健。然而，在我们发现系外地球之前，我们将不得不依靠太阳系作为我们唯一的案例研究。
四颗类地行星——水星、金星、地球和火星——主要由高沸点物质组成，如铁和硅酸盐岩石，表明它们在雪线内形成，并且没有发生明显的迁移。在这个距离范围内， газопылевых 圆盘中的行星胚胎可以生长到约 0.1 个地球质量，不会比水星大多少。进一步的生长需要胚胎的轨道交叉，以便它们可以碰撞并合并。这很容易解释。在气体蒸发后，胚胎逐渐破坏了彼此的轨道，并在几百万年的时间里，使它们变得足够椭圆以至于可以相交。
更难解释的是系统如何再次稳定自身，以及是什么使类地行星走上如今近乎圆形的轨道。少量剩余气体可以解决问题，但如果存在气体，它会从一开始就阻止轨道变得不稳定。一种观点是，在行星几乎形成后，仍然残留着大量的星子群。在接下来的 1 亿年中，行星扫走了一些星子，并将剩余的星子偏转到太阳中。行星将其随机运动转移到注定要灭亡的星子上，并进入圆形或几乎圆形的轨道。
另一种观点是，木星引力的远程影响导致新兴的类地行星迁移，使它们与新鲜物质接触。这种影响在特殊的共振位置最强，这些位置随着木星轨道稳定到最终形状而向内移动。放射性测年表明，小行星形成于早期（在太阳形成后四百万年），其次是火星的形成（在太阳形成后一千万年），然后是地球（在太阳形成后五千万年）——仿佛一场由木星引发的浪潮正在席卷太阳系。如果不加以控制，它的影响会将所有类地行星推向水星的轨道。它们是如何避免这种不幸结果的？也许它们长得太大了，以至于木星无法显著地移动它们，或者也许它们被巨大的撞击击出了木星的影响范围。
尽管如此，大多数行星科学家并不认为木星在岩石行星的形成中起到了决定性作用。大多数类太阳恒星都缺少类似木星的行星，但它们仍然有尘埃碎片，表明存在星子和行星胚胎，它们可以组装成类地世界。观察者在未来十年需要回答的一个主要问题是有多少系统拥有地球但没有木星。
对于我们的行星来说，一个决定性的时刻发生在太阳形成后 3000 万到 1 亿年，当时一个火星大小的胚胎撞击了原始地球，并抛射出大量的碎片，这些碎片凝结成月球。考虑到早期太阳系中围绕着大量物质，如此巨大的撞击并不令人意外，其他系统中的类地行星也可能拥有卫星。巨大的撞击也起到了喷射稀薄的原始大气层的作用。地球今天的大气层主要来自被困在形成地球的星子中的气体，后来被火山喷发出来。
终点：类地行星
8. 清理行动开始 时间：5000 万至 10 亿年
至此，行星系统几乎完成了。一些影响继续对其进行微调：更广泛的恒星团的瓦解，这可能会在引力上破坏行星的轨道；恒星清除其最后的气体盘后产生的内部不稳定性；以及巨行星对剩余星子的持续散射。在我们的太阳系中，天王星和海王星将星子抛射到柯伊伯带或朝向太阳。木星以其更大的引力，将它们送往太阳引力范围边缘的奥尔特云。奥尔特云可能包含相当于多达 100 个地球质量的物质。每隔一段时间，来自柯伊伯带或奥尔特云的星子会向内坠落到太阳，形成彗星。
在散射星子的过程中，行星本身也会发生一些迁移，这将解释海王星和冥王星轨道之间的同步性 [参见雷努·马尔霍特拉的“迁移行星”；《大众科学》，1999 年 9 月]。例如，土星可能曾经在更靠近木星的轨道上运行，然后向外移动，这个过程可以解释所谓的后期重轰炸——在月球上（以及据推测在地球上）发生的一次特别强烈的撞击时期，大约发生在太阳形成后 8 亿年。在某些系统中，成熟行星的史诗般的碰撞可能发生在发展的后期。
终点：行星和彗星的最终配置
没有宏伟的设计
在发现系外行星的时代之前，我们的太阳系是我们拥有的唯一案例研究。尽管它为重要过程的微观物理学提供了丰富的信息，但它也缩小了我们对其他系统如何发展的视野。过去十年发现的惊人的行星多样性极大地扩展了我们的理论视野。我们已经意识到，系外行星是原行星形成、迁移、破坏和持续动态演化的最后一代幸存者。我们太阳系的相对有序性并不反映任何宏伟的设计。
理论家们已经将他们的重点从提供解释太阳系形成遗迹的 сценарий 转移到构建具有一定预测能力的理论，以便通过即将到来的观测进行检验。到目前为止，观察者只看到了类太阳恒星周围的木星质量行星。随着新一代探测器的出现，他们将寻找地球大小的行星，顺序吸积 сценарий 表明这种行星很常见。行星科学家可能才刚刚开始看到这个宇宙中世界的全部多样性。
编者注：这篇文章最初以“行星的起源”为标题印刷。