系外行星與天體生物學

核吸積

怎樣用一層稀薄的氣體和塵埃造出一顆行星?想像一個塵埃漩渦繞著一顆新生恒星旋轉。那些塵埃顆粒不比煙塵大,但它們互相碰撞、黏連,就像床底下越積越大的灰團。小石子黏成礫石,礫石黏成山塊,山塊聚成一個小小的岩石世界。一旦這個世界長得夠重,它的重力就開始把周圍一切都拉過來——先是更多的岩石和冰,接著,如果它長得既大又快,就連周圍的氣體也一併吞下。核吸積,就是這種耐心地從顆粒一點點壘起來的造行星配方。

在標準圖像裡,一個固體內核在年輕恒星周圍的盤中一步步長大。靠近恒星處太暖,結不成冰,於是內核只能保持又小又岩質,造出像地球那樣的世界。在更外側、所謂雪線之外,水凍結成冰,添入大量額外的固體材料,使內核能長到約十倍地球質量。到那時它的重力已足夠強,得以從盤中以失控之勢攫取巨量的氫和氦氣,膨脹成一顆像木星那樣的巨行星。整個過程必須在區區幾百萬年內完成,趕在恒星的光和星風把氣體吹散之前——這正是該模型最緊的約束。

核吸積是對大多數行星(包括太陽系內的行星)如何形成的主流解釋,它自然地說明了為什麼岩石行星靠近太陽、氣態巨行星位於更外側。它的主要難處在於速度:要趕在氣體散盡前迅速壘出一個十倍地球質量的內核,尤其在寒冷的外盤中,相當困難,這也是為什麼對某些遙遠的巨行星會援引另一種思路(盤不穩定)。隨著我們不斷發現與太陽系迥異的行星系統,這個模型也在持續被修正。

一般認為,木星先在雪線之外稍遠處壘起一個約十倍地球質量的岩冰內核,隨後抓取氣體之快,使它最終達到三百多倍地球質量——但它那緻密的內核至今仍埋在那一身氫氣之下,像一份凍結的記錄,記著它當初不過是一粒固體種子。

一顆巨行星始於一個小小的固體內核,再靠吞食氣體膨脹起來。

核吸積是受青睞的模型,卻非定論:要足夠快地造出足夠大的內核,仍是它最難過的關,某些系統或許還需要別的機制。

又稱
core accretion modelbottom-up planet formation核心吸积模型由下而上的行星形成