新研究表明早期生态行星可能令人惊讶地平坦

艺术家对一颗名为“热木星”的系外行星的概念图。致谢：uux.cn/NASA/JPLCaltech

根据《对话》（迪米特里斯·斯塔马托斯）的说法，新行星在称为原恒星盘的气体和尘埃旋转圈中开始生命。我和我的同事使用计算机模拟表明，这个盘中的早期气体行星可能具有令人惊讶的扁平形状。这一发现发表于《天文学和天体物理学快报》，可以促进我们对行星形成的精确理解。

观察刚刚形成并仍保留在原恒星盘中的原行星是极其困难的。迄今为止，仅观察到三颗这样的年轻原行星，其中两颗属于同一系统PDS 70。

我们需要找到足够近的年轻系统，以便望远镜能够探测到来自行星本身的微弱光，并将其与来自圆盘的光区分开来。行星形成的整个过程仅持续几百万年，从天体物理学的角度来看只是眨眼的时间。这意味着你需要一些运气才能在它们形成时抓住它们。

我们的研究小组进行了计算机模拟，以确定行星摇篮中不同热条件下气态原行星的特性。

模拟具有足够的分辨率来追踪圆盘中原行星从凝结成圆盘的最早阶段的演化过程。计算密集型模拟是在英国天体物理学超级计算设施DiRAC 进行的。

通常，圆盘内会形成多个行星。据研究，原行星的形状不是球形，而是称为扁椭球体，例如Smarties或MM's。它们主要通过从两极而不是赤道吸收气体来生长。

从技术上讲，我们太阳系中的行星也是扁椭球体，但扁平化的程度很小。土星是10%扁圆，木星是6%，而地球只有0.3%。

相比之下，原行星通常90% 是平坦的。这种平滑对观测到的原行星特性有影响，在解释观测结果时必须考虑到这一点。

地球是如何开始的

最广泛接受的行星形成理论是“核心吸积”理论。根据这个模型，比沙子还小的微小尘埃颗粒相互碰撞，聚集在一起，并逐渐成长为更大的物体。事实上，这就是当你不清理床下的灰尘时会发生的情况。

当足够大的尘埃核心形成时，它会吸引圆盘中的气体，形成气态巨星。这种自下而上的方法需要数百万年的时间。

相反的自上而下的方法是磁盘不稳定理论。在这个模型中，伴随着年轻恒星的原恒星盘在引力上是不稳定的。换句话说，它太重了，无法支撑，所以它碎成了几块，演化成了行星。

核心吸积理论已经存在很长时间了，可以解释太阳系形成的许多方面。但盘的不稳定性或许可以更好地解释我们近几十年来发现的一些系外行星系统，例如那些气体巨星的轨道距离其主恒星很远的系统。

这一理论的吸引力在于，行星的形成速度非常快，只需几千年，这与行星存在于非常年轻的圆盘中的观察结果是一致的。

我们的研究重点是通过盘不稳定模型形成的气态巨行星。它们是扁平的，因为它们是由原恒星盘的压缩和旋转形成的，原恒星盘是扁平的结构。

没有平坦的地球

这些原行星通常非常平坦，但它们的核心（最终演变成我们所知的气态巨行星）的平坦度要低约20%。这只是土星扁率的两倍。随着时间的推移，它们预计将变得更加球形。

由于圆盘不稳定，像地球或火星这样的岩石行星无法形成。它们被认为是由卵石、岩石、公里大小的物体和尘埃颗粒形成，最终慢慢聚集成行星。它们非常致密，即使是新的也不会变平。地球在年轻时不可能被压得这么严重。

然而，我们的研究支持盘不稳定在某些行星系统中的某些世界中的作用。

我们现在正从系外行星发现时代转向系外行星表征时代。许多新的天文台很快就会投入使用。这将有助于发现更多嵌入盘中的原行星。计算机模型预测也变得越来越复杂。

将这些理论模型与观测结果进行比较可以帮助我们更好地了解太阳系的起源。