一些最好的电影都是起源故事。当我们知道一个超级英雄来自哪里时，我们就能理解他们为什么这样做。行星也是如此：了解行星是如何形成的，是理解其内部结构、地质和气候的关键。通过数十年对陨石和月球岩石的分析，我们对地球是如何形成的了解了很多。我们认为地球生长的最后阶段涉及巨大的碰撞，最后一次碰撞旋出了汽化岩石盘，这些岩石盘聚结成月球。
但是，我们发现的围绕其他恒星的数千颗行星又是如何形成的呢？它们是否像地球一样形成？回答这个问题似乎渺茫，因为我们永远无法获得来自那些行星的岩石进行分析。但是，可能还有另一种方法，这种方法很重要，因为它为我们提供了将地球的起源故事与岩石系外行星的起源故事进行比较的难得机会。
在最近发表于《自然·天文学》杂志上的一项研究中，我们利用一个系外行星系统的轨道结构来研究行星可能如何形成，以TRAPPIST-1系统为例。这个系统在系外行星中具有标志性：它包含七颗已知的行星，每颗行星的大小都接近地球，其中三颗行星从它们微小的红矮星接收到的能量与地球从太阳接收到的能量相似。
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为了我们的分析，TRAPPIST-1的一个关键特征是轨道共振。在特定的轨道数后，每对相邻行星会重新对齐。例如，在外侧行星对（称为g和h）中，轨道对齐每行星g运行三圈和行星h运行两圈重复一次；这是一个3:2共振。每对相邻行星都处于类似的共振状态。所有七颗行星共同参与这种轨道舞蹈，形成一个共振链。
在彩弹射击中，每次有人被击中，冲击都会留下一个油漆 blob，因此您可以一目了然地看出任何玩家被击中的频率。同样，行星和卫星的表面保留了撞击的迹象；当来自太空的物体坠落时，它会爆炸并留下一个陨石坑。您可以肉眼看到月球上最大的陨石坑；第谷是最引人注目的陨石坑之一。
我们想弄清楚有多少太空垃圾——即，剩余的小行星和彗星——可能轰击了 TRAPPIST-1行星。我们研究的关键部分是精确计算该系统轨道共振的脆弱程度。事实证明，共振非常容易被打破。当小行星或彗星与行星碰撞，甚至只是近距离经过时，行星的轨道会稍微移动。将其中一些偏移加起来，相邻行星的轨道就会足够分散，从而失去共振。从那时起，它们就再也无法重新对齐。
通过轨道模拟，我们确定了如果该系统的共振丢失，将有多少太空垃圾会与每颗 TRAPPIST-1 行星碰撞。当然，TRAPPIST-1 的共振没有丢失；自从行星形成以来，它们已经存在了数十亿年，并且我们今天观察到了它们。TRAPPIST-1 就像一个穿着几乎完全干净的服装的彩弹射击玩家。我们的模拟向我们展示了“最坏情况”；自 TRAPPIST-1 行星形成以来，可能撞击任何行星的最大物质数量（以宇宙术语衡量）非常少，不到地球质量的 1%。任何超过这个数量的物质都会永久性地扰乱我们今天看到的共振。
由于撞击如此之少，TRAPPIST-1 行星的增长速度必定远快于地球。像 TRAPPIST-1 这样的共振是通过轨道迁移形成的，因为正在增长的行星的轨道通过与气体行星形成盘相互作用而缓慢收缩。一旦星盘消失，共振就会断裂，但无法重新形成。因此，TRAPPIST-1 系统必须在其恒星星盘的寿命内完全形成——仅几百万年。在随后的数十亿年中，最多只有轻微的轰击。
相比之下，对地球和月球岩石的分析表明，形成月球的行星级碰撞发生在太阳系形成开始后约 1 亿年。TRAPPIST-1 行星很可能也经历过如此巨大的碰撞，但只是在它们历史的早期，在共振链固定下来之前。我们并不完全了解这些不同的形成途径如何影响 TRAPPIST-1 行星与地球相比的内部演化、地质和气候，但这是一个活跃的研究领域。例如，它们的快速增长可能会大大增加行星内部岩石中可能储存的水量，但会减少可能作为地表海洋的水量。
我们的研究涉及对哪些天体应称为“行星”的争议水域。根据国际天文学联合会的定义，用于将冥王星降级为“矮行星”地位的因素是，它没有清除其轨道周围的太空垃圾。相反，冥王星在富含冰的彗星状天体的柯伊伯带内运行。我们的模拟表明，TRAPPIST-1 系统中不可能存在大量的太空垃圾。因此，这七个天体中的每一个都应该被称为行星。
目前，我们只能将我们的新技术应用于少数其他系统，即那些共振链，它们的彩弹射击服几乎是干净的。然而，这些是我们从轨道角度来看以及因为一种理论提出几乎所有行星系统都会花费一些时间作为共振链（尽管很少有共振链能够幸存下来）而了解到的最有趣的系统之一。了解这些系统中行星的轰击历史是讲述其他世界起源故事的第一步。