氣冰巨行星的生長

1、氣冰巨行星的生長氣冰巨行星的生長木星和土星主要由氫和氨組成。這些元素不會(huì)在原行星盤中發(fā)現(xiàn)的 溫度和壓力下凝結(jié)，所以它們一定是從太陽星云的氣體成分中被引力俘 獲的。對(duì)年輕恒星的觀測表明，原行星盤只存在幾百萬年，這為形成巨 型行星所需的時(shí)間設(shè)置了上限。天王星和海王星也含有大量的氫和氨 （在 325%勺范圍內(nèi)），因此它們也可能在太陽星云散開之前迅速形成。木星和土星也含有比氨重的元素，與太陽相比，它們富含這些元素。 土星的引力場強(qiáng)烈暗示它的中心有一個(gè)致密物質(zhì)的核心，大約包含行星 總質(zhì)量的1。木星也可能有一個(gè)致密的核心，包含一些物質(zhì)的地球質(zhì)量。 木星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍然很不確定，因?yàn)槲覀內(nèi)狈ψ銐虻臓顟B(tài)方程來描

2、述氫 在行星內(nèi)部高壓下的行為。與太陽相比，這兩顆行星的上層大氣富含碳、 氮、硫和鼠等元素。人們認(rèn)為這些豐富的物質(zhì)可能深入到行星內(nèi)部，但 這仍然是不確定的。巨大的行星可能是由原計(jì)劃行星盤的引力不穩(wěn)定區(qū)域收縮和坍塌直 接形成的。這個(gè)圓盤的不穩(wěn)定性類似于可能形成行星的引力不穩(wěn)定性， 但是不穩(wěn)定性發(fā)生在星云氣體中，而不是圓盤的固體成分中。如果穩(wěn)定 性準(zhǔn)則接近或低于1,將發(fā)生不穩(wěn)定性，其中是開普勒速度，是聲速，和。 是磁盤中氣體的局部表面密度。不穩(wěn)定區(qū)域的氣體很快變得比周圍的物 質(zhì)密度大得多。圓盤不穩(wěn)定性需要高表面密度和低聲速（冷氣體），所以它最有可能發(fā)生在一個(gè)巨大的原行星圓盤的外部區(qū)域。數(shù)值計(jì)算表明，

3、 在一個(gè)質(zhì)量比最小質(zhì)量太陽星云大幾倍的星云中，不穩(wěn)定性將發(fā)生在大 約5的范圍之外。對(duì)于一個(gè)不穩(wěn)定的區(qū)域，會(huì)發(fā)生什么取決于氣體收縮 時(shí)冷卻的速度，而這是很多爭論的話題。如果氣體仍然是熱的，稠密的 區(qū)域?qū)⒑芸毂粓A盤的不均勻旋轉(zhuǎn)剪切和破壞。如果冷卻是有效的，模擬氣冰巨行星的生長表明，引力束縛的團(tuán)簇將在幾百年內(nèi)形成，這些團(tuán)簇最終可能會(huì)收縮形 成巨型行星。最初，這樣的行星是同質(zhì)的，與星云的成分相同。它們的 結(jié)構(gòu)和組成隨后可能會(huì)發(fā)生變化，這是由于較重元素在中心的重力沉降 和諸如彗星等巖石或冰體的捕獲。木星和土星中心致密核心的證據(jù)向許多科學(xué)家表明，巨型行星是由 核心吸積而不是由圓盤不穩(wěn)定形成的。在這個(gè)模型中

4、，巨行星形成的早 期階段反映了巖石行星的生長，從形成星象開始，然后是失控和寡頭增 長。然而，由于兩個(gè)原因，行星胚胎在外太陽系會(huì)變得更大。首先，這 里的攝食區(qū)更大，因?yàn)樘柕囊^弱，所以每個(gè)胚胎的引力都控制著 星云更大的區(qū)域。其次，這里的溫度很低，足以使焦油、水冰和其他冰 等易揮發(fā)物質(zhì)凝結(jié)，因此有更多的固體物質(zhì)可用于建造大型胚胎。在外太陽系中，如果星盤的質(zhì)量是最小質(zhì)量太陽星云的幾倍，那么在100萬年內(nèi)，通過寡頭增長形成的天體質(zhì)量大約是地球的10倍。體積比火星還大的天體將捕獲星云中大量的氣體。由于的重力和向外的壓力 梯度之間的平衡，這種大氣保持平衡。然而，有一個(gè)臨界核心質(zhì)量，超 過這個(gè)臨界質(zhì)量，

5、胚胎就不能再支撐靜止的大氣。在這個(gè)極限之上，大 氣開始崩塌到行星上，形成一個(gè)巨大的氣體包層，隨著時(shí)間的推移，隨 著從星云中捕獲更多氣體，質(zhì)量不斷增加。當(dāng)氣體向行星下落時(shí)，它會(huì) 隨著重力勢能的釋放而升溫。行星的增長速度取決于這種熱量的輻射速 度。臨界地核質(zhì)量取決于包層的不透明度和星子與地核碰撞的速率，但 計(jì)算表明它在320地球質(zhì)量范圍內(nèi)。胚胎的生長在最初是緩慢的，但一 旦胚胎達(dá)到2030個(gè)地球質(zhì)量，生長就會(huì)迅速加快。數(shù)值模擬表明，木星 質(zhì)量行星可以在15毫安這樣形成。這些行星主要由富含氫的星云氣體組 成，但由于固體核心的壓力，它們也富含較重的元素。如同圓盤不穩(wěn)定 一樣，行星的外殼可能因與彗星的碰

6、撞而進(jìn)一步富含重元素。伽利略太空船的測量顯示，木星的高層大氣中碳、氮、硫和惰性氣氣冰巨行星的生長體鼠、氟和氤的含量比太陽高23倍。如果這些豐富的物質(zhì)是木星作為一 個(gè)整體的典型包絡(luò)線，那就意味著這顆行星捕獲了大量的彗星。鼠可以 被困在彗星冰層中，但前提是這些冰層的形成溫度低于30左右。木星目前與太陽的距離可能比這高得多。這表明要么彗星來自星云較冷的區(qū)域， 要么木星本身向內(nèi)部遷移了很長一段距離。然而，事實(shí)上，硫等相對(duì)不 穩(wěn)定的元素與惰性氣體的富集程度相同，這表明這些元素可能都是與氫 和氨一起從星云中捕獲的氣體。如果是這樣的話，木星的外殼一定是非 均勻的，較低的層在較重的元素中耗盡，這可能是由于氫被

7、排除在高壓 相之外，而上層則富集。目前還不清楚為什么木星和土星達(dá)到目前的質(zhì)量時(shí)停止生長。這些 行星的質(zhì)量非常大，如果附近有天然氣供應(yīng)，它們將繼續(xù)快速增長。它 們停止生長是有可能的，但不太可能，因?yàn)樾窃魄『迷诖藭r(shí)分散。一個(gè) 更可能的解釋是，這些行星的增長放緩，因?yàn)樗鼈兏髯宰兊米銐虼?，?以清除星云圍繞其軌道的環(huán)形間隙。當(dāng)一顆行星的山丘半徑與氣盤的垂 直厚度相當(dāng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)間隙清除現(xiàn)象，木星和土星就是這樣。氣體軌 道比木星離太陽稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)，會(huì)被行星的引力加速，使氣體遠(yuǎn)離太陽。 比木星更靠近太陽的軌道上的氣體速度減慢，導(dǎo)致它向內(nèi)移動(dòng)。這些力 在圍繞木星軌道的圓盤上打開了一個(gè)缺口，平衡了粘性力，這些粘

8、性力 會(huì)導(dǎo)致氣體返回缺口。數(shù)值緯度表明，通常情況下，氣隙并沒有被完全 清除，一些氣體繼續(xù)穿過氣隙并吸積到行星上。然而，當(dāng)行星變得更大 時(shí)，吸積率下降。天王星和海王星被稱為冰巨星計(jì)劃，因?yàn)樗鼈兒写罅康奈镔|(zhì)，如 水和甲烷，在低溫下形成冰。它們含有一些氫和氨，但它們沒有獲得木 星和土星所擁有的巨大氣態(tài)外殼。這表明，在天王星和海王星形成之前， 星云中的氣體已經(jīng)大量散開，它們的質(zhì)量足以經(jīng)受快速的氣體吸積。這 可能是因?yàn)樗鼈冃纬捎谠行潜P的外部區(qū)域，那里胚胎生長速度最慢。氣冰巨行星的生長也有可能星云在某些區(qū)域的擴(kuò)散速度比其他區(qū)域快。特別是，由于紫外 線的光蒸發(fā)，氣體從太陽系逸出，星云的外部區(qū)域可能在早期

9、就消失了。一個(gè)行星遷移的存在。行星的質(zhì)量足以打開一個(gè)缺口，但仍會(huì)在缺 口之外的氣體中產(chǎn)生螺旋密度波，但這些波的位置因此離行星更遠(yuǎn)，因 此遷移速度較慢。當(dāng)一顆有間隙的行星向內(nèi)遷移時(shí)，氣體傾向于在間隙 的內(nèi)邊緣堆積，在外邊緣變得稀薄，從而減緩了遷移速度。行星的移動(dòng) 現(xiàn)在與氣體向恒星內(nèi)部的粘性吸積聯(lián)系在一起。行星、它的間隙和星云 氣體都以相同的速率向內(nèi)運(yùn)動(dòng)。太陽系中的巨行星經(jīng)歷了另一種遷移，因?yàn)樗鼈兣c在巨行星之間和 原始柯伊伯帶軌道上移動(dòng)的星體發(fā)生了引力相互作用。這個(gè)過程的一個(gè) 結(jié)果是形成了奧爾特彗星云。一旦木星接近它目前的質(zhì)量，許多接近它 的行星的行星的將會(huì)是。遠(yuǎn)超過原行星盤的外緣。一些被完全從太

10、陽系 中噴射出來，但另一些仍然弱束縛在太陽上。隨著時(shí)間的推移，與分子 云、其他附近恒星和星系盤的引力相互作用使這些天體的軌道循環(huán)，使 它們不再通過行星系統(tǒng)。在奧爾特云中，許多這樣的天體仍在遠(yuǎn)離太陽 的軌道上運(yùn)行。這些天體角動(dòng)量的最終來源是以木星的軌道為代價(jià)的， 相應(yīng)地縮小了。土星、天王星和海王星噴射出一些星體，但它們也擾動(dòng) 了許多內(nèi)部物體，然后被木星噴射出來。作為一個(gè)結(jié)果，土星、天王星 和海王星可能向外而不是向內(nèi)移動(dòng)。當(dāng)海王星向外遷移時(shí)，它與環(huán)繞星云最外圍區(qū)域的原始柯伊伯彗星 帶發(fā)生了動(dòng)態(tài)的相互作用。其中一些彗星是從太陽系中噴射出來的，或 者是向內(nèi)擾動(dòng)到木星的。另一些則被擾動(dòng)到數(shù)百年或數(shù)千年周

11、期的高度 偏心軌道上，現(xiàn)在形成了分散的圓盤，這一區(qū)域延伸到柯伊伯帶以外， 但其天體正逐漸被與海王星的近距離接觸所移除。海王星以外區(qū)域的相 當(dāng)一部分天體被困在外部平均運(yùn)動(dòng)共振中，并隨行星向外遷移。冥王星， 目前位于海王星的3:2平均運(yùn)動(dòng)共振中，可能代表了其中一個(gè)天體。氣冰巨行星的生長當(dāng)巨行星移動(dòng)時(shí)，它們有可能通過彼此的軌道共振。特別是，如果 木星和土星通過2:1的平均運(yùn)動(dòng)共振，它們的軌道偏心率將顯著增加， 這將對(duì)整個(gè)太陽系產(chǎn)生重要影響。天王星和海王星的偏心會(huì)變大，直到 它們被與原始柯伊伯帶的動(dòng)力摩擦所阻尼。許多彗星會(huì)因此被擾動(dòng)到太 陽系內(nèi)部。止匕外，巨行星軌道的變化會(huì)使許多主帶小行星產(chǎn)生不穩(wěn)定的

12、 共振，也會(huì)導(dǎo)致小行星的進(jìn)入穿過內(nèi)行星的軌道。目前，還不清楚木星 和土星是否通過了或者是什么時(shí)候發(fā)生的。有人提出，通過這種共振的 通道是對(duì)內(nèi)行星晚些時(shí)候的猛烈轟擊負(fù)責(zé)的，這些轟擊發(fā)生在太陽系開 始后，并留下了對(duì)月球、火星和水星的清晰撞擊記錄。地球的月亮有許多不尋常的特征。與內(nèi)行星相比，它的密度很低， 而且它只有一個(gè)非常小的核心。月亮是地球的月亮有許多不尋常的特征。 與內(nèi)行星相比，它的密度很低，而且它只有一個(gè)非常小的核心。月球上 的水等易揮發(fā)物質(zhì)消耗殆盡。止匕外，地球月球系統(tǒng)每單位質(zhì)量有大量的 角動(dòng)量。如果將它們組合成一個(gè)整體，物體將每4小時(shí)旋轉(zhuǎn)一次！如果月球的形成是由于地球和另一個(gè)大的、不同的

13、天體（有時(shí)被稱為）在地 球形成后期發(fā)生斜碰撞的結(jié)果，那么所有這些特征都可以理解。對(duì)這次巨大撞擊的數(shù)值模擬顯示，泰亞的大部分地核可能已經(jīng)沉過 地幔，與地核結(jié)合。熔巖和蒸汽化的地幔物質(zhì)從兩個(gè)天體被噴出。碰撞 過程中物質(zhì)高度非球形分布所產(chǎn)生的引力矩，使一些地幔物質(zhì)具有足夠 的角動(dòng)量進(jìn)入繞地球的軌道。這種物質(zhì)很快形成了一個(gè)圓盤，月球從中 吸積。月球的某些組成特征與地球的某些特征非常相似，這意味著（1）是由類似的物質(zhì)的，（2）凝結(jié)形成月球的蒸汽和碎片與地球的外部物質(zhì) 完全平衡，或者（3）月球主要由來自地球的物質(zhì)組成，而不是，盡管數(shù) 值模擬傾向于。在這種情況下相反。撞擊釋放了大量的能量，使圓盤充分受熱，許

14、多易揮發(fā)物質(zhì)逸出。 因此，月球主要是由揮發(fā)的虧損地幔物質(zhì)形成的，這解釋了月球目前的氣冰巨行星的生長組成。模擬結(jié)果表明泰亞的質(zhì)量可能與火星相似，火星的質(zhì)量約為地球 的十分之一。我們對(duì)的組成知之甚少，除了它和火星一樣，與地球相比， 它似乎富含地球化學(xué)揮發(fā)性元素，如鋤。地球和月球具有相同的氧同位 素特征（0）。人們一度認(rèn)為這意味著地球和具有相似的同位素組成，但 現(xiàn)在這種相似似乎是月球形成時(shí)地球和原月盤之間物質(zhì)交換的結(jié)果。與地球相比，巨型行星的衛(wèi)星與其母行星的相關(guān)性要小得多。盡管 月球的質(zhì)量約為地球的1/80,但木星、土星和天王星的衛(wèi)星系統(tǒng)各自的 質(zhì)量約為各自行星的1/10000。巨行星的衛(wèi)星可以分為

15、兩類，它們具有不 同的性質(zhì)。那些靠近母行星的行星在赤道的同一平面上有著近乎圓形的 軌道，并且在行星旋轉(zhuǎn)的同一方向上有著同樣的軌道。這些被稱為常規(guī) 衛(wèi)星。離地球更遠(yuǎn)的衛(wèi)星往往有高度傾斜和偏心的軌道，因此這些衛(wèi)星 被稱為不規(guī)則衛(wèi)星。常規(guī)的衛(wèi)星往往更大，包括木星的伽利略衛(wèi)星和土 星最大的泰坦衛(wèi)星。常規(guī)衛(wèi)星的軌道表明，它們是由圍繞每顆行星運(yùn)行的富含氣體的行 星盤形成的，而不規(guī)則衛(wèi)星被認(rèn)為是后來捕獲的。由于型移動(dòng)，大型衛(wèi) 星會(huì)通過一個(gè)環(huán)繞行星的圓盤迅速向內(nèi)移動(dòng)，時(shí)間尺度與太陽星云的壽 命相比很短。由于這個(gè)原因，可能形成了幾代衛(wèi)星，我們今天看到的衛(wèi) 星是最后一代。這些衛(wèi)星可能是由起源于太陽星云的星體形成的

16、，當(dāng)它 們通過環(huán)繞行星盤中相對(duì)稠密的氣體時(shí)被減速并捕獲。涉及兩個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星的軌道共振是常見的。例如，伽利略內(nèi)部的三 顆衛(wèi)星一一木衛(wèi)一、木衛(wèi)二和木衛(wèi)三的軌道周期是 1:2:4。這與除了海王 星和冥王星以外的行星之間沒有共振形成了對(duì)比。衛(wèi)星共振的普遍存在 表明，許多衛(wèi)星在形成過程中或形成之后遷移了相當(dāng)長的距離，在途中 被共振捕獲。隨著越來越多的衛(wèi)星通過其行星的吸積盤向內(nèi)遷移，可能 會(huì)產(chǎn)生一些共振。當(dāng)行星和衛(wèi)星之間的潮汐相互作用導(dǎo)致衛(wèi)星以不同的 速度向外移動(dòng)時(shí)，其他的行星可能會(huì)在晚些時(shí)候出現(xiàn)。氣冰巨行星的生長海王星衛(wèi)星系統(tǒng)與其他巨型行星的衛(wèi)星系統(tǒng)不同，它擁有相對(duì)較少 的衛(wèi)星，其中大部分質(zhì)量包含在一顆比冥王星大的大衛(wèi)星中。與太陽系 中所有其他大型衛(wèi)星不同，衛(wèi)星的軌道是逆行的，這是不尋常的。這表 明它是被捕獲的，而不是在原地形成的。已經(jīng)提出了幾種捕獲機(jī)制，但 大多數(shù)