超級地球是怎樣形成的？

行星系統的生命周期開始于一個巨大的塵埃和氣體盤——原行星盤，這個旋轉的圓盤是經過大約幾百萬年形成的。在一個恒星—行星系統中，恒星是中心，大部分氣體都向著恒星聚集，而塵埃等固態物質緩慢聚合成小行星、彗星、行星及衛星。

太陽系中的情況

在太陽系中，有兩類不同的行星：較小的是內行星，它們多由巖石構成，都靠近母恒星——太陽；較大的是外行星，它們富含水和氫氣，都遠離太陽。在2021年初發表的一項研究中，兩位科學家根據這種雙分法認為，太陽系行星形成于兩個不同的原行星盤：其中一個是內行星盤，內行星就形成于這個行星盤；另一個是外行星盤，它們催生出了含冰且個頭巨大的外行星，其中兩顆行星——木星和土星后來演變成了氣態巨行星。

太陽系中的行星們（示意圖）

一個模型被否定

在迄今發現的5000多顆太陽系外行星中，31%屬于超級地球。正如其名，超級地球的質量比地球大，而且大好幾倍，甚至更大，其中一部分超級地球甚至有氫氣大氣層，因此它們看上去很像氣態巨行星。此外，它們常被發現近距離環繞其母恒星。上述兩位科學家推測，超級地球原本位于遠離母恒星的軌道中，但后來逐漸遷徙到靠近母恒星的地方。

超級地球當然與地球不同。那么，超級地球是怎么形成的？多年前，這兩位科學家建立了這樣一個模型：超級地球在原行星盤中的含冰區域形成，然后一路遷徙到靠近母恒星的原行星盤內沿。這個模型能解釋超級地球的質量和軌道，但又預測超級地球都富含水。而最近的觀測表明，哪怕擁有氫氣大氣層，大多數超級地球仍然像地球一樣主要由巖石構成。因此，這個模型不成立。

系外行星（想象圖）

答案可能早就有了

過去五年里，科學家們在探測超級地球的過程中發現了超級地球更奇特的一點：雖然超級地球類型多樣，但只要是位于同一個恒星—行星系統內的多顆超級地球，其在軌道間隔（軌道與母恒星之間距離）、大小、質量及其他主要特征方面都近似，就好像它們是由同一家“行星工廠”生產出來的。那么，一個什么樣的過程能既生成像太陽系里那樣的巖石行星（內行星），又能形成形制同樣堪稱整齊劃一的超級地球？

答案可能早在2020年就被上述兩位科學家找到了，只不過他們當時沒料到這個答案可推廣至系外行星的形成。

木星的四大衛星（示意圖）

先解釋四大木衛

回到2020年，當時上述兩位科學家提出了有關木星的四大衛星（木衛一艾奧、木衛二歐羅巴、木衛三加尼美得、木衛四卡利斯托，它們的特征相近）成因的一種新理論。事實上，與其說這是一種理論，不如說他們證明了這一點：對一定大小范圍內的塵埃顆粒來說，把它們朝著木星拖曳的力量與氣體流把它們帶到遠離木星處的力量相互完美抵消。這種力量的平衡創生了一條物質環，環中物質最終聚集成了四顆大木衛。

該理論還認為，這些大木衛不斷長大，最終大到能在氣體驅動的遷徙作用下脫離物質環。此后，這些大木衛停止生長。這樣就能解釋為什么這四大木衛特征相近。

太陽系外的原行星盤（想象圖）

“行星工廠”所在地

上述兩位科學家在最近的一篇新論文中又提出，恒星周圍的行星形成機制與此大同小異。對行星來說，固態巖石物質的大規模聚集出現在原行星盤中一條窄窄的物質帶——硅酸鹽凝華線（相當于創生四大木衛的物質環）上。在這個區域中，氣態硅酸鹽凝華形成石塊。他們解釋說，在原行星盤中氣體的環繞速度較慢，塵埃顆粒的環繞速度則較快，因此塵埃顆粒在“逆風”狀態下旋轉著接近恒星；反之，蒸氣旋轉著，隨著不斷擴展的原行星盤中的氣體一道向外而去；于是，物質聚集地就是從氣體過渡到固體的地方——硅酸鹽凝華線。

這兩位科學家認為，硅酸鹽凝華線很可能就是“行星工廠”所在地。隨著時間推移，“行星工廠”造就了多顆大小近似的巖石行星。不僅如此，隨著行星質量越來越大，它們與原行星盤之間的相互作用容易讓它們逐漸靠近母恒星。

新理論可信度高

這種新理論其實始于這兩位科學家對現有行星成因模型的調查。他們發現這些模型都無法解釋超級地球之間的相似性，而且這些模型都假設固態物質在原行星盤中到處都分布。他們提出的新理論則摒棄這種假設，而是假設首批固態物質——行星胚胎形成于原行星盤中的僅僅一部分地帶——巖石物質環（即硅酸鹽凝華線）中。這樣就能以一種統一架構來解釋不同類型的恒星—行星系統。尤其值得一提的是，這一新理論得到了計算機模擬的全面支持。

根據這一新理論，如果原行星盤中的巖石物質環包含大量物質，行星就會長大到能脫離巖石物質環的地步，由此形成彼此相近的大量超級地球。而如果巖石物質環中的物質較少，那么產生的行星就會像太陽系中的內行星。

這一新理論被認為是近年來的一大突破，因為它不僅能解釋超級地球之間的相似性，而且解釋的可信度在目前看來是最高的。

恒星—行星系統從誕生到成型