Formation of Terrestrial Worlds

陆地世界的形成

恒星附近较热区域内岩石主导的行星是如何形成的

1. 类地行星的未知领域

大多数类似太阳的恒星——尤其是那些中等到低质量的恒星——都被由 气体和尘埃. 在这些磁盘中：

  • 这 内部区域 （大约在几个天文单位内）由于恒星的辐射而保持较温暖，导致大多数挥发物（如水冰）升华。
  • 岩石/硅酸盐 材料主导这些内部区域，形成 类地行星 类似于我们太阳系中的水星、金星、地球和火星。

比较系外行星研究揭示了各种各样的 超级地球 以及其他靠近恒星的岩石行星，这表明类地行星的形成是一个重要且普遍的现象。了解这些 岩石行星 形成的展开揭示了 宜居环境、化学成分和生命潜力。

2. 设置阶段：内部磁盘条件

2.1 温度梯度和“雪线”

在原行星盘中，恒星的 辐射 建立温度梯度。 雪线 （或霜冻线）标志着水蒸气可以凝结成冰的地方。通常，这条线位于距离类太阳恒星几个天文单位的地方，尽管它会随着星盘年龄、光度和外部影响而变化：

  • 里面 雪线：水、氨和二氧化碳2 尘埃颗粒保持气态，因此主要由硅酸盐、铁和其他难熔矿物组成。
  • 外部 雪线：冰比比皆是，使得固体中有更多的质量，并促进了气态/冰巨行星核心的快速增长。

因此， 内陆区域 主要 干燥 就形成时的水冰而言，尽管后来一些水可以通过雪线以外的散落行星带来 [1]， [2]。

2.2 盘质量密度和时间尺度

明星的 吸积盘 通常包含足够的固体来在内层区域形成多个岩石行星，但它们的数量或质量取决于：

  • 表面密度 固体：更高的密度会促进更快的行星碰撞和胚胎生长。
  • 磁盘寿命：通常在气体消散前 300 万至 1000 万年，但由于原行星在缺乏气体的环境中发生碰撞，岩石行星的形成（后气体阶段）可以持续数千万年。

物理过程——粘性演化， 磁场， 恒星辐射—驱动圆盘的结构和演化，塑造岩石天体聚集的环境。

3. 尘埃凝结与行星形成

3.1 内盘岩石颗粒的生长

在温度更高的内部区域，小尘埃颗粒（硅酸盐、金属氧化物等）相互碰撞并粘附，形成聚集体或“鹅卵石”。然而，“米级屏障”提出了挑战：

  • 径向漂移：米级大小的物体由于阻力而快速向内盘旋，有坠入恒星的风险。
  • 碰撞碎裂：高速下的较大碰撞可能会破坏聚集体。

克服这些增长障碍的可能方法包括：

  1. 流媒体不稳定：局部区域的尘埃过度集中会引发引力坍缩，形成千米大小的行星。
  2. 压力冲击：具有子结构（间隙、环）的圆盘可以捕获尘埃颗粒，减少径向漂移并实现更强劲的增长。
  3. 卵石增生：如果一些胚胎形成，它可以迅速聚集在毫米到厘米的“鹅卵石”周围 [3]， [4]。

3.2 行星的出现

一旦公里级的行星形成， 引力聚焦 加速进一步增长。在 内盘行星通常由岩石构成，含有铁、硅酸盐，可能还有少量的碳化合物。经过数万到数十万年的时间，这些行星会合并形成 原行星 数十或数百公里宽。

4. 原行星演化和类地行星生长

4.1 寡头增长

在被称为 寡头增长：

  1. 某个区域内的几颗大型原行星成为引力主导的“寡头”。
  2. 较小的行星被分散或吸积。
  3. 最终，该区域转变为由几个相互竞争的原行星和较小的剩余天体组成的系统。

这一阶段可能持续几百万年，最终导致多个 火星大小 或者 月球大小 行星胚胎。

4.2 巨型撞击和最终组装

气体盘消散（消除阻力和阻尼）后，这些原行星在混乱的环境中继续碰撞：

  • 巨大撞击：最后阶段可能发生足够大的碰撞，以蒸发或部分熔化地幔，例如假设的月球形成对原地球的影响。
  • 长期：在火星撞击事件之后，太阳系中的类地行星可能需要大约 5000 万到 1 亿年的时间才能最终确定地球的轨道 [5]。

在这些碰撞过程中，可能会发生额外的铁硅酸盐分异，导致行星核心的形成，以及可能形成卫星（如地球的月球）或环系统的碎片的喷射。

5. 成分和挥发性物质的输送

5.1 以岩石为主的室内空间

由于挥发物在内部较热的盘中蒸发，因此在那里形成的行星主要聚集 耐火材料—硅酸盐、铁镍金属等。这解释了水星、金星、地球和火星的高密度和岩石性质（尽管根据当地盘面条件和巨大撞击历史，每种行星都有不同的成分和铁含量）。

5.2 水和有机物质

尽管类地行星形成于雪线内，但如果满足以下条件，它们仍然可以获得水：

  1. 后期交付：来自外盘或从小行星带散落的行星可能携带水或碳化合物。
  2. 小冰体：彗星或C型小行星如果向内散射，可以提供足够的挥发物。

地球化学证据表明，地球上的水可能来自碳质球粒陨石体，将内盘的干燥与我们今天在地球表面看到的水连接起来 [6]。

5.3 对宜居性的影响

挥发性物质对于海洋、大气和适宜生命生存的表面的形成至关重要。最终碰撞、熔融地幔的释气以及冰冷行星的回落，这些相互作用最终决定了每颗类地行星的生存潜力。 适宜居住的条件。

6. 观测线索和系外行星洞察

6.1 系外行星观测：超级地球和熔岩世界

系外行星调查（e.g。、开普勒、TESS）揭示了大量 超级地球 或者 迷你海王星 围绕恒星运行。有些行星可能纯粹由岩石构成，但比地球更大，有些行星部分被厚厚的大气层包裹。还有一些行星——“熔岩世界”——距离恒星非常近，以至于它们的表面可能已经熔化。这些发现强调了：

  • 磁盘变体：圆盘质量或成分的细微差异可能会导致地球类似物变成炙热的超级地球。
  • 轨道迁移：一些岩石超级地球可能形成于更远的地方，然后向内迁移。

6.2 碎屑盘作为陆地构造的证据

在较老恒星周围，由尘埃状“碰撞残余”组成的碎片盘可能预示着剩余行星或失败的岩石原行星之间正在发生持续的小型碰撞。斯皮策和赫歇尔望远镜探测到的成熟恒星周围的暖尘埃带可能与我们太阳系的黄道带尘埃相似，暗示着存在正在缓慢碰撞研磨的类地行星或剩余岩石天体。

6.3 地球化学类比

对吸积了行星碎片的白矮星大气进行的光谱测量揭示了与岩石（球粒陨石）物质一致的元素组成，支持了岩石行星经常在行星系统内部区域形成的概念。

7. 时间表和最终配置

7.1 吸积时间线

  • 行星的形成：可能通过流动不稳定性或缓慢碰撞增长达到 0.1–1 Myr 规模。
  • 原行星组装：在 1000 万至 1000 万年的时间里，较大的天体占据主导地位，清除或吸积较小的行星。
  • 巨大撞击阶段：数千万年，最终形成几颗类地行星。地球最后一次重大撞击（月球形成）可能发生在太阳形成后约3000万至5000万年。 [7]。

7.2 可变性和最终架构

盘面密度的变化、迁移巨行星的存在，或早期恒星与盘的相互作用，都可能极大地重塑行星的轨道和成分。有些系统最终可能只拥有一颗或零颗大型类地行星（比如围绕着许多M型矮星？），也可能拥有多颗近距离的超级地球。每个系统都带有其诞生环境的独特“指纹”。

8. 成为类地行星的关键步骤

  1. 灰尘生长：硅酸盐和金属颗粒在部分凝聚力的帮助下聚结成毫米至厘米大小的鹅卵石。
  2. 行星的出现：流动不稳定性或其他机制迅速产生千米级的物体。
  3. 原行星堆积：行星之间的引力碰撞产生了火星到月球大小的胚胎。
  4. 巨型撞击舞台：很少有大型原行星发生碰撞，经过数千万年的时间最终形成类地行星。
  5. 挥发性交付：来自外盘行星或彗星的水和有机物的涌入可以赋予该行星海洋和潜在的宜居性。
  6. 轨道清理：最终的碰撞、共振或散射事件决定了稳定的轨道，产生了我们在许多系统中看到的陆地世界的排列。

9. 未来的研究和任务

9.1 ALMA 和 JWST 磁盘映像

高分辨率的圆盘子结构地图揭示了环、间隙和可能嵌入的原行星。识别 除尘器 或内盘附近的螺旋波可以阐明岩石行星是如何形成的。 詹姆斯韦伯太空望远镜的红外功能有助于测量硅酸盐特征强度和盘内孔或壁，从而指示胚胎行星的形成。

9.2 系外行星特征

正在进行的系外行星凌日/径向速度调查和即将进行的任务，例如 柏拉图 和 罗曼太空望远镜 将发现更多小型、可能为类地行星的系外行星，并测量其轨道、密度以及可能的大气特征。这些数据有助于确认或完善类地行星最终如何靠近或进入恒星宜居带的模型。

9.3 内盘残余物样本返回

对太阳系内部形成的小天体进行采样的任务——就像 NASA 的 精神 （富含金属的小行星）或进一步返回的小行星样本——提供了行星构成要素的直接化学记录。将这些数据与陨石研究相结合，可以解开岩石行星如何由盘状固体固结而成的谜团。

10. 结论

这 陆地世界的形成 自然出现在炎热的内陆地区 原行星盘一旦尘埃颗粒和小岩石颗粒聚结成行星，引力相互作用就会加速行星的形成。 原行星数千万年来，反复的碰撞——有些是轻微的，有些是巨大的撞击——将这个系统逐渐缩小到少数几个稳定的轨道，每个轨道都代表一颗岩石行星。随后的水输送和大气演化可以使这些星球变得宜居，正如地球的地质和生物历史所证明的那样。

无论是在我们太阳系内部（小行星、陨石、行星地质学），还是在系外行星巡天中，观测都强调了岩石行星的形成在恒星中是多么普遍。通过不断完善行星盘成像、尘埃演化模型以及行星-行星盘相互作用理论，天文学家加深了我们对将恒星驱动的尘埃云转化为行星的宇宙“配方”的理解。 类似地球 或银河系中其他岩石行星。通过这些探索，我们不仅揭开了我们星球的起源故事，还揭示了宇宙中无数其他恒星周围潜在生命的基石是如何形成的。

参考文献及延伸阅读

  1. Hayashi，C.（1981）。 “太阳星云的结构、磁场的生长和衰减以及磁粘度和湍流粘度对星云的影响。” 理论物理进展增刊， 70，35–53。
  2. Weidenschilling，SJ（1977）。 “太阳星云中固体的空气动力学。” 皇家天文学会月刊， 180，57–70。
  3. 约翰森，A.， & Lambrechts，M.（2017）。 “通过卵石吸积形成行星。” 地球与行星科学年鉴， 45，359–387。
  4. Morbidelli, A.、Lunine, JI、O'Brien, DP、Raymond, SN, & Walsh，KJ（2012）。 “建造类地行星。” 地球与行星科学年鉴， 40，251–275。
  5. Chambers，JE（2014）。 “太阳系内部的行星吸积。” 伊卡洛斯， 233，83–100。
  6. 雷蒙德，SN， & Izidoro，A.（2017）。 “空的原始小行星带和木星成长的作用。” 伊卡洛斯， 297，134–148。
  7. Kleine, T.等人（2009）。 “陨石的Hf-W年表和类地行星的形成时间。” 地球化学与宇宙化学学报， 73，5150–5188。

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