不久之前，美国国家航空航天局“新视野”号任务的辉煌时期似乎已成过眼云烟，随着2015年历史性的冥王星相遇事件而载入史册。然而，在去年年初，该探测器掠过了阿罗科斯，这是一块漂浮在柯伊伯带——海王星以外原始冰冷天体的弥散环带——中的太空垃圾，冥王星是其中最大的成员。“新视野”号在阿罗科斯上发现的东西——最初在去年报道，现在在上周发表在《科学》杂志上的三项研究中得到了十倍数据的加强——是太阳系中最重大的悬案的关键线索：行星是如何诞生的谜团。
“我从没想过我们与阿罗科斯的相遇在重要性上会与冥王星飞掠比肩，”新视野号首席研究员和研究合著者、西南研究院的行星科学家艾伦·斯特恩说。“我没想到会在柯伊伯带中做出关于行星形成的惊天动地的发现，但我们确实做到了。在阿罗科斯，我们偶然发现了整个新视野号任务中可能最大的奖项。”
通过对阿罗科斯的形状、地质、颜色和成分的仔细研究——以及精密的计算机模拟——研究人员对这个来自早期太阳系的遗迹是如何形成的有了更清晰的认识。有了这些知识，他们也更好地理解了四十多亿年前，环绕太阳运行的世界的组成部分是如何形成的。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。
如何制造行星
制造行星的配方看似简单：搅动一大片气体和尘埃云，使其像球形雪崩一样向内坍塌，将其大部分物质压缩成中心的新生恒星。接下来，退后一步，观看云的剩余角动量旋转并将剩余物压平成围绕恒星旋转的盘状物。据认为，在数百万年内，世界通过一种称为分级吸积的过程在盘状物内聚合。尘埃颗粒碰撞并粘在一起，逐渐聚集成卵石，最终形成行星。很简单，对吧？
但行星组装线上似乎存在一个关键瓶颈：从卵石跳跃到称为星子的公里级构件。这一步是许多理论家预计分级吸积会暂时中断的地方，因为轨道速度下碰撞的米级巨石更有可能破碎成砾石，而不是变得更大。相比之下，星子应该足够庞大，以至于它们的内在引力会控制碰撞产生的碎片，将它们拉回原位，并允许生长一直持续到行星状态。
“引力是一种普遍力，就像胶水一样，一旦星子形成，就能使它们越长越大，”西南研究院的大卫·内斯沃尼说，他是新研究的合著者之一。“但这对于初始阶段来说并非如此，在初始阶段，你只有盘状物中的尘埃颗粒通过分子力粘合在一起形成卵石。引力在那里不是很重要。那么，是什么‘胶水’让物质生长成 10 公里或 100 公里的物体呢？”
自上而下还是自下而上？
分级吸积的“自下而上”组装过程的主要替代方案是“局部云坍塌”机制，该机制将从“自上而下”构建星子。在这种方法中，原行星盘中的卵石通过沉降到自引力云中来绕过碰撞瓶颈，在自身重量下快速压缩，直接坍塌成星子。这个想法起源于 20 世纪 50 年代，并在 20 世纪 70 年代通过开创性的理论工作得到完善，最初难以解释卵石是如何首先聚集在一起的。但15 年前，更复杂的模型出现，展示了盘状物内的气体阻力——一种称为流不稳定性现象——如何将卵石集中成密集的群体，就像鸟群或自行车队顶风逆行一样。
从那里，卵石云将坍塌，弹出星子——复数形式，因为角动量守恒会从下落的物质中旋转出两个或多个致密的公里级天体。因此，如果星子通过坍塌形成，那么它们中的大多数应该以双星系统开始——其中一些随后要么缓慢合并在一起，要么通过引力相互作用失去它们的伴星。根据内斯沃尼及其同事最近进行的最先进的数值模拟，如果它们的前身卵石云通过流不稳定性形成，那么这些双星应该倾向于沿顺行方向相互绕轨道运行——也就是说，与它们绕太阳运行的方向相同。（来自其他机制的双星形成模型预测相反的情况：逆行轨道的趋势。）值得注意的是，对来自哈勃太空望远镜和其他来源的数据的分析表明，柯伊伯带最古老的双星表现出完全相同的效应，绝大多数显示出顺行轨道。当去年首次揭示时，来自高性能超级计算机和柯伊伯带天体望远镜研究的这种重叠证据被一些专家誉为流不稳定性以及星子形成的局部云坍塌模型的现实性的最佳证据。
“我并没有幻想会就此达成普遍、即时的共识，”亚利桑那大学的安德鲁·尤丁说，他是流不稳定性假说的共同提出者，他帮助完成了这项突破性工作。“无论如何，你都不希望每个人都蜂拥而至。这是一个渐进的过程。科学就应该是这样运作的。”
然而，鉴于来自新视野号阿罗科斯飞掠的数据，蜂拥而至者可能很快就会人满为患。“这两件事非常吻合，”亚利桑那州弗拉格斯塔夫洛厄尔天文台的威尔·格伦迪说，他是三项新的阿罗科斯研究的合著者，也是柯伊伯带双星分析的负责人。“顺行双星轨道方向的证据与作为形成机制的流不稳定性完全一致。而且阿罗科斯提供的所有证据都表明它是通过云坍塌形成的——尽管它没有告诉我们云是如何形成的。”
云坍塌的案例
阿罗科斯，以前被称为 2014 MU69（或其非正式名称天涯海角），在其正式命名之前，是一个 36 公里长的“接触双星”，由两个冰冷的、扁平的、轻微陨石坑的和轻轻接触的瓣状物组成。这种排列使阿罗科斯看起来像一个被压扁的雪人。它的表面非常均匀地呈红色——可能是由于宇宙辐射持续轰击数百万年而形成的有机分子造成的。也许最重要的是，接触双星是柯伊伯带“冷经典”天体家族的成员——这些天体位于平静的圆形轨道上，自四十多亿年前太阳系黎明时形成以来，几乎没有与任何其他天体相互作用过。
斯特恩说：“关于星子如何形成的争论主要基于计算机模型——因为我们在太阳系中前往‘实地考察’的每一个小物体都受到了阳光和撞击的严重加热和侵蚀。” “然后我们去了阿罗科斯，很明显，这个东西自存在以来一直很冷，并且位于太阳系非常稀薄的部分，那里从未发生过强烈的碰撞环境。这是一个来自四十多亿年前的时间胶囊，从总体上来说，分级吸积模型无法解释它。”
斯特恩和他的同事说，在每一个细节上，阿罗科斯都符合云坍塌模型的预期。它光滑的瓣状物如此精巧地栖息在彼此之上，没有显示出分级吸积预测的剧烈高速撞击的迹象——它们一定是非常平静地碰撞的，在新生太阳系的原生盘中螺旋运动时，闭合速度低至每秒一米。瓣状物都以相同的方式扁平化——完全好像它们都是从同一个坍塌的云中旋转出来的。在颜色和成分上，它们似乎到处都相同——而如果它们是由来自太阳系遥远部分的小物体碰撞形成的，则它们应该更加多样化。“这就像一集《犯罪现场调查》，”斯特恩说。“有太多的证据都指向一个罪魁祸首，而不是另一个。一切都与云坍塌相符。”
这个结论本身有点令人惊讶。“我们知道我们可能会从阿罗科斯那里了解一些关于星子形成的信息，”西南研究院的约翰·斯宾塞说，他是最近三篇《科学》论文的合著者。“但我们没想到当我们到达那里时，它会如此显而易见。我想我们谁也没有想到阿罗科斯会如此原始，而且它讲述的故事会如此清晰。”
当然，可能存在一个潜在的问题：阿罗科斯是迄今为止近距离观察到的唯一此类天体，并且从一个样本量中进行巨大的推断本质上是冒险的。“我相信这将是我们理解星子形成的一个重大进步，但可能会有人问，‘好吧，这只是一个天体。你怎么知道它是典型的？’”圣路易斯华盛顿大学的威廉·麦金农说，他也是这三项新研究的合著者。“好吧，我们选择[阿罗科斯]并不是因为我们知道它会是什么样子。我们选择它是因为我们可以用新视野号到达那里。如果它最终变成一个布满陨石坑的太空土豆，我们现在就会讲述一个不同的故事——但事实并非如此。”
随着新视野号深入柯伊伯带，可能会获得更多的确定性。凭借持久核同位素的逐渐衰变提供的仪器热量和电力，该任务可能会持续探索到 2030 年代（前提是美国国家航空航天局继续资助其运行）。该探测器剩余的约 10 公斤推进剂不太可能足以进行另一次冥王星后的柯伊伯带天体飞掠，但该团队仍在热切地使用地球上一些最大的地面望远镜寻找其他可能的探测目标。与此同时，他们正在使用新视野号更小的 21 厘米望远镜远程研究远处经过的柯伊伯带天体。此类研究不会返回精美的图像。但它们仍然可能超越来自地球附近的任何观测，为大约 50 或 100 个额外的天体提供形状、自转和表面特性的测量结果——足以形成具有统计意义的样本，并且很可能一劳永逸地解决星子辩论。