海德堡大學(xué)的布魯克·波拉克(Brooke Polak)和馬克斯·普朗克天文學(xué)研究所(MPIA)的休伯特·克拉爾(Hubert Klahr)模擬了太陽系行星形成的關(guān)鍵階段：厘米大小的鵝卵石聚集成數(shù)十到數(shù)百公里大小的所謂微行星的方式。該模擬再現(xiàn)了微行星的初始尺寸分布，可以將其與當(dāng)今小行星的觀測結(jié)果進行核對。它還預(yù)測了我們太陽系中緊密雙星微行星的流行程度。

在arXiv上發(fā)表的一項新研究中，海德堡大學(xué)的天體物理學(xué)家布魯克·波拉克(Brooke Polak)和馬克斯·普朗克天文學(xué)研究所的休伯特·克拉爾(Hubert Klahr)使用模擬來推導(dǎo)出所謂的微行星的關(guān)鍵特性，微行星是大約4億年前在我們的太陽系中形成行星的中等大小的天體。

使用一種模擬微行星形成的創(chuàng)新方法，兩位研究人員能夠預(yù)測我們太陽系中微行星的初始尺寸分布：有多少可能形成在大約10公里到200公里之間的不同“大小括號”中。

當(dāng)今太陽系中的幾組天體，特別是主帶小行星和柯伊伯帶天體，是沒有繼續(xù)形成行星的微行星的直系后代。利用對主帶小行星初始尺寸分布的現(xiàn)有重建，Polak和Klahr能夠確認他們的預(yù)測確實與觀測結(jié)果相符。

此外，他們的模型成功地預(yù)測了靠近太陽形成的微行星與較遠形成的微行星之間的差異，并預(yù)測了有多少形式形成雙行星。

從塵埃到行星的行星形成

恒星周圍的行星形成分幾個階段進行。在初始階段，圍繞新恒星旋轉(zhuǎn)的原行星盤中的宇宙塵埃顆粒聚集在一起，受到靜電(范德華)力的束縛，形成幾厘米大小的所謂鵝卵石。在下一階段，鵝卵石連接在一起形成微行星：直徑在數(shù)十到數(shù)百公里之間的太空巖石。

對于這些較大的物體，引力是如此之強，以至于單個微行星之間的碰撞形成了更大的，受引力束縛的固體宇宙物體：行星胚胎。這些胚胎可以繼續(xù)吸積微行星和鵝卵石，直到它們成為像地球一樣的類地行星。有些人可能會繼續(xù)吸積厚厚的氫氣層，成為所謂的氣態(tài)巨行星，如木星，或冰巨行星，如天王星。

當(dāng)微行星不成為行星時

并非所有的微行星都成為行星。太陽系歷史的一個階段涉及新形成的木星，今天太陽系最大的行星，向內(nèi)遷移，向太陽周圍更近的軌道移動。這次遷移破壞了其附近的行星形成，木星的引力阻止了附近的微行星進化成行星胚胎。天王星和海王星也遷移，但向外遷移到更遠的軌道，因為它們與它們以外的微行星相互作用。

在這個過程中，他們將一些更遙遠、冰冷的微行星分散到太陽系內(nèi)部，還有一些向外散落。一般來說，遠離太陽，微行星之間的典型距離太遠，即使是相對較小的類地行星也無法形成 - 唯一形成的行星胚胎是像冥王星這樣的更小的物體。這個距離的大多數(shù)微行星根本沒有進入行星胚胎階段。

最后，我們的太陽系最終出現(xiàn)了幾個包含剩余微行星或其后代的區(qū)域：火星和木星之間的主要小行星帶既包含木星阻止形成胚胎的微行星，也包含天王星和海王星向內(nèi)散落的微行星。

柯伊伯帶的盤狀結(jié)構(gòu)，距離太陽30到50個天文單位，包含太遠的微行星，無法受到天王星和海王星遷移的干擾，其中大約70.000個大小大于100公里。這是大多數(shù)訪問內(nèi)太陽系的中期彗星的來源。再往外，在所謂的奧爾特云中，是天王星-海王星遷徙向外散射的物體。

行星形成模擬的局限性

模擬從厘米大小的鵝卵石到微行星的過程具有挑戰(zhàn)性。直到大約十年前，人們還不清楚這種轉(zhuǎn)變是如何發(fā)生的——當(dāng)時，模擬不允許鵝卵石生長超過一米的大小。這個特殊的問題已經(jīng)解決了，人們意識到原行星盤中的湍流運動將足夠數(shù)量的鵝卵石聚集在一起形成更大的物體。但是所涉及的不同尺度仍然使模擬行星形成變得非常困難。

連續(xù)介質(zhì)模擬通過將空間劃分為由獨立區(qū)域組成的網(wǎng)格來模擬原行星盤 - 將平面劃分為棋盤圖案的三維模擬。然后使用流體動力學(xué)方程來計算物質(zhì)如何從每個網(wǎng)格單元流向相鄰單元，以及在此過程中物質(zhì)屬性如何變化。但為了獲得有意義的結(jié)果，需要模擬直徑數(shù)十萬公里的原行星盤的一部分。根本沒有足夠的計算能力使“棋盤模式”足夠小，無法同時模擬單個微行星的千米尺度結(jié)構(gòu)。

一種替代方案是模擬，將鵝卵石群建模為單獨的“超級粒子”，然后在它們彼此接近超過約1000公里的限制時將它們合并成單點狀物體。但這種方法未能捕捉到微行星形成的另一個重要方面：緊密的雙星微行星，其中兩個微行星彼此緊密地繞行，甚至作為“接觸雙星”聚集在一起。

模擬“卵石氣”

Polak和Klahr進行的模擬朝著不同的方向發(fā)展，借用了一個看似無關(guān)的物理模型中的概念：氣體的動力學(xué)描述，無數(shù)分子高速飛行，它們與容器側(cè)面的碰撞累積地對容器壁施加壓力。

當(dāng)氣體溫度足夠低，壓力足夠高時，氣體就會經(jīng)歷所謂的相變，變成液體。在某些條件下，相變可以將物質(zhì)直接從氣態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。

Polak和Klahr的模擬處理了原行星盤中坍塌云中的一小群鵝卵石，類似于這種氣體的粒子。他們沒有明確地模擬各種卵石群之間的碰撞，而是為它們的“卵石氣體”分配了壓力。對于所謂的狀態(tài)方程，即壓力作為密度的函數(shù)，他們選擇了一種所謂的絕熱狀態(tài)方程，這種方程在球?qū)ΨQ情況下具有類似于地球的密度結(jié)構(gòu)。

通過這種選擇，卵石氣體也會發(fā)生相變：在低密度下，存在一個“氣相”，其中單獨的鵝卵石飛來飛去并經(jīng)常碰撞。增加密度，你可以過渡到“固相”，鵝卵石形成固體微行星。卵石氣體何時變成固體的關(guān)鍵標準是鵝卵石的引力是否大于碰撞承受的壓力。

微行星特性取決于與太陽的距離

休伯特·克拉爾(Hubert Klahr)小組的早期研究表明，微行星的形成總是始于原行星盤內(nèi)緊湊的鵝卵石云自行坍塌，并且還為這些單獨的坍塌區(qū)域的大小提供了具體值。在這項新作品中，Polak和Klahr研究了這樣一個坍縮區(qū)域的幾個版本，每個版本與太陽的距離不同，從接近水星軌道的距離開始，到遠至海王星的坍縮區(qū)域結(jié)束。

由于他們的簡化方程比超粒子碰撞模型復(fù)雜得多，研究人員能夠利用他們可用的計算能力來模擬比以往任何時候都更精細的細節(jié) - 直到雙行星可以形成接觸雙星的尺度。

以前的模擬缺乏追蹤這些細節(jié)的能力，只是假設(shè)兩個微行星盡可能接近形成一個緊密的雙星，會演變成一個單一的無結(jié)構(gòu)物體，因此會完全錯過那些接近的雙星。

預(yù)測微行星的大小分布

他們的結(jié)果描繪了一幅有趣的整個微行星形成的圖景。與太陽的距離是關(guān)鍵：非?？拷柕奶s區(qū)域只會產(chǎn)生一個微行星。在更遠的距離上，每個坍縮區(qū)域?qū)⑼瑫r形成越來越多的微行星。此外，最大的微行星最接近太陽。

在地球與太陽的距離處，由坍縮的卵石云產(chǎn)生的最大的微行星比十倍遠產(chǎn)生的微行星質(zhì)量高出約30%，大10%?？傮w而言，微行星的生產(chǎn)非常有效，無論在太陽系中的位置如何，超過90%的可用鵝卵石最終都會進入由此產(chǎn)生的微行星。

模擬對微行星大小分布的預(yù)測是準確的。當(dāng)然，即使是主帶小行星，生命在過去十億年中仍在繼續(xù)，無數(shù)次碰撞將較大的微行星分解成更小的碎片。但是，旨在從今天看到的內(nèi)容重建初始尺寸分布的分析得出的結(jié)果與新的模擬非常相似。

還有一個驚喜：“以前人們認為小行星之間的初始大小分布反映了卵石云的質(zhì)量分布，”布魯克波拉克說，“所以我們非常驚訝我們的模擬，總是使用相同的卵石云的初始質(zhì)量，在引力坍縮期間創(chuàng)造了與觀測中發(fā)現(xiàn)相同的小行星質(zhì)量分布。這極大地改變了在太陽星云中產(chǎn)生卵石云的過程的限制。

換句話說：模擬我們太陽系最早階段不需要擔(dān)心卵石云的大小恰到好處 - 微行星的形成將自行處理適當(dāng)?shù)拇笮》植肌?/p>

雙星和衛(wèi)星

Polak和Klahr的模擬所建立的對細節(jié)的關(guān)注也產(chǎn)生了關(guān)于雙微行星的前所未有的結(jié)果，雙微行星成對相互繞行。一半的雙星彼此非常接近，它們的相互距離不到微行星本身直徑的四倍。

對雙星的普遍性和特性的預(yù)測，包括有額外的小“衛(wèi)星”繞其運行的雙星，與太陽系外圍柯伊伯帶天體以及主帶小行星的觀測特性完全匹配。

其中一個預(yù)測是，當(dāng)鵝卵石合并成微行星時，緊密的雙星在早期大量形成，而不是通過后來的近碰撞和其他相互作用形成。美國宇航局于 2021 年發(fā)射的太空任務(wù)露西承諾了一個特別有趣的機會來測試這一預(yù)測。

“并非所有的微行星都以小行星或柯伊伯帶結(jié)束。有些人被困在與木星本身的共同軌道上，即所謂的特洛伊木馬，“休伯特克拉爾說。“露西代表團將在未來幾年訪問其中的幾個。2033年100月，它將在小行星Patroclus和Menoetius上擺動。每個大小為680公里，兩者之間的軌道距離僅為<>公里。我們的預(yù)測是，這兩個將具有相同的顏色和外觀，因為我們期望它們由同一個卵石云形成。從出生起就是同卵雙胞胎。

未來的研究方向

目前版本的波拉克和克拉爾模擬只檢查了海王星當(dāng)前軌道的微行星形成。接下來，兩位研究人員計劃在更遠的距離探索我們太陽系的早期歷史。雖然目前的模擬已經(jīng)產(chǎn)生了像接觸雙星阿洛克特這樣的物體，美國宇航局的新視野號探測器在2019年訪問冥王星-卡戎系統(tǒng)后訪問了它，但看看這樣的物體如何在阿洛克特的實際軌道距離上形成會很有趣 - 距離太陽的距離是地球的45倍(而不是海王星的30倍)。

本模擬的另一個限制是微行星只能形成不同大小的完美球體。一個更復(fù)雜的狀態(tài)方程，結(jié)合了固體保持其形狀的能力，將允許描述具有多孔冰和塵?；旌衔锏牟牧咸匦缘奈矬w。在此基礎(chǔ)上，計算可以擴展到不同形狀的微行星，從而在我們對太陽系形成的理解和觀測之間提供更多的細節(jié)。

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