系外行星与天体生物学

盘不稳定

比起一颗一颗颗粒地垒,还有一种更快、更剧烈的造巨行星之法。想象一张又厚又转的气体薄饼绕着一颗年轻恒星。如果这个盘既重又冷,它自身的引力就能压过想把它摊开的压力,其中一块会突然成团、向内坍缩——就像浓奶油倒进咖啡时,不是被抹匀,而是凝成一团团。一瞬之间,一块盘就变成了一颗巨行星。这就是盘不稳定:自上而下、一次成型地造出气态巨行星,而非自下而上地慢慢垒。

更确切地说,一个又冷又重的盘可以在区区几百到几千年内碎裂成靠自身引力维系的碎块——相比核吸积所需的几百万年,快得惊人。一个能维系不散的碎块,会成为一团气态巨行星质量的团块,一开始并不需要一个大的固体内核。要做到这一点,盘必须既稠密(引力才够强),又能迅速把热辐射掉(压力才不会又把团块顶散)。这些条件在一个异常厚重的盘的寒冷外缘——离恒星几十倍于日地距离乃至更远处——最容易满足。

盘不稳定是核吸积的主要对手,尤其在那些离恒星极远的大质量行星上被援引,因为在那里核吸积来不及奏效。大多数普通行星,尤其是岩石行星,一般认为不是这样形成的——条件太苛刻。关于大自然各用哪条路、用得多频繁,争论仍在进行;诚实的答案是:两者大概都会发生,只是在不同地方、对不同种类的行星而言。

已有少数巨行星被直接拍到,在离恒星极远——达日地距离数百倍——的轨道上运行。核吸积很难在那么远的地方及时垒成什么,于是盘不稳定成了这些孤悬外缘的巨行星的一种可能起源,尽管它们的形成仍有争议。

一个又重又冷的盘,可以直接、一次性地坍缩成一颗巨行星。

盘不稳定只造大质量气态巨行星,且多在远离恒星处,还需特殊条件;对岩石行星而言,它取代不了核吸积。

又称
gravitational instabilitydisk fragmentationtop-down planet formation引力不稳定盘坍缩