气体和冰巨星

木星和土星属于气态巨行星：氢和氦构成了它们大部分的质量。它们也含有较重元素，这些元素分布在结构更为复杂的内部，而不是仅仅位于气体外壳下方一个边界清晰、体积很小的固态核心中。[3]

天王星和海王星也拥有氢氦包层，但较重元素主导了它们的主体成分。天文学家通常称它们为冰巨行星，因为水、氨和甲烷可能构成其建造材料的一部分。这个名称并不意味着它们含有某一特定比例的水，或拥有一层由普通冻结冰构成的地幔。[4]

质量取自美国国家航空航天局喷气推进实验室的行星参数，并进行了四舍五入。这些是总质量，而不是单个核心的测量值。[1]

在某种物质的雪线之外，当地条件允许它凝结成冰。水、二氧化碳和一氧化碳的相变位置各不相同。它们的位置取决于温度、压力和原行星盘的演化，因此并不存在适用于每种挥发性物质的单一永久霜线。[5]

在冰能够保存的地方，它会增加固体中可用的物质。漂移的颗粒也可以重新分配这些物质。这能帮助成长中的天体，但无论是寒冷位置还是穿过水的雪线，都不能保证会形成气态巨行星。[5]

行星可以改变自身的物质供应

足够有影响力的行星可以重塑原行星盘的压力分布，并在其轨道外侧形成压力最大值。这会限制鹅卵石进入，这一过程称为鹅卵石隔离。相关质量取决于原行星盘的条件，而小颗粒仍可能渗漏通过。[7]

隔离并不会自动形成气态巨行星。如果形成的天体太小，或其包层演化得太慢，剩余的原行星盘寿命可能不足以支持大量气体增长。[7]

行星的引力会吸入气体，但压缩会使气体升温。随后，压力有助于支撑包层，抵抗引力。要高效积累更多气体，包层必须散失能量并收缩。这种冷却起初可能会使气体增长速度远低于简单“吸尘器”图景所暗示的速度。[8]

固体增长也会提供热量

进入物质在落入行星时会释放能量。因此，持续的卵石吸积可能有助于保持包层高温。减少这种加热——例如在卵石输送中断时——可以使冷却和气体积累加速。[9]

不透明度，即辐射穿过物质的容易程度，也很重要。能够有效留住热量的包层，其演化方式可能不同于更容易辐射能量的包层。周围盘的条件也会影响结果。[8]

包层自身的引力变得重要

随着气体积累，其自身引力可以加速收缩和进一步吸积。当包层质量与核心质量变得相当时，许多模型会进入失控气体吸积阶段：只要气体仍然可用，就能快速成长为一颗以氢氦为主的行星。[11]

一旦行星能够快速吸收气体，盘输送气体的能力就变得至关重要。气体必须流经周围的盘，进入行星所在的区域。此时，生长可能会受供应量限制，而不是受包层冷却能力限制。[10]

打开间隙并不会切断所有流动

大质量行星的引力扭矩可以在其轨道周围刻画出一个低密度间隙。是否会形成深间隙，取决于行星引力、气体压力以及盘输运角动量的能力。间隙通常是物质减少的区域，而不是空无一物的沟槽。[12]

气体可以穿过行星形成的间隙，继续为行星或内盘提供物质。间隙会改变可用的流量，但打开间隙并不会规定一个普遍适用的最终行星质量。[10], [13]

原始储库最终会消散

向恒星的吸积和盘风会带走气体。盘的寿命各不相同；并不存在适用于每个系统的、强制性的300万至1000万年时间窗口。巨行星必须在合适的储库仍然存在时获取其庞大的原初氢氦包层，即使之后碰撞和轨道变化仍可能继续发生。[14]

形成一颗冰巨行星需要权衡。模型必须积累大量较重物质，同时只保留相对适中的氢氦包层。能够提高固体增长效率的条件，也可能帮助行星获得足够多的气体，最终反而成为气态巨行星。[16]

可能的形成历史涉及生长时机的差异、落入固体物质所提供的加热，以及原行星盘逐渐消散时可用的气体。“它们形成得太晚”可以是模型中的一个因素，但并不是关于这两颗行星实际发生了什么的既定解释。[16], [9]

两颗行星都必须纳入同一个不断演化的系统中

一项2023年的建模研究同时追踪了卵石、微行星和气体。要同时重现天王星和海王星，对初始胚胎及其生长历史十分敏感。这说明，在一致的原行星盘条件下，匹配一颗行星的质量，比解释这两颗行星的共同形成更容易。[17]

迁移和巨型撞击也可能影响了它们的形成过程。它们目前与恒星的距离无法确定其诞生地点，而现有证据也无法确定唯一的事件顺序。[4]

熟悉的云带只能揭示外部。远在云带之下，不断增加的压力会改变物质的行为。在木星和土星内部，深层氢会变成致密流体；在足够高的压力下，它还会像金属氢一样导电。“气态巨行星”并不意味着其内部始终是一团普通的低密度气体。[3]

冰岩比仍是一个未解问题

近期内部结构模型可以用富水或富岩石成分来拟合现有的天王星和海王星测量结果。深层物质可能以高密度流体或其他高压相存在。一幅常见的示意图描绘了厚而均一的冰幔下方一个微小岩石核心；这只是可能的模型之一，并非直接观测到的结构。[21]

混合和演化意味着，如今的核心区域未必保留行星固体物质最初的分布。[3]

盘的图像揭示结构

ALMA 图像显示了尘埃发射中的环、空隙和其他图案。DSHARP 等项目对这些结构进行了详细测绘。行星可能有助于形成空隙，但单独的尘埃空隙并不能证实存在行星，也不能唯一检验其形成机制。[22]

年轻行星展现正在进行的成长过程

年轻系统 PDS 70 中包含两颗被直接探测到的原行星。与两者相关的氢发射表明吸积仍在进行。此类观测证实行星可以在盘内生长，并有助于检验气体流动模型；但它们本身并不能确定形成历史中的每一步。[23]

大气携带化学线索

光谱可以约束可观测大气区域中的分子和元素丰度。这些测量只取样特定层；它们并不是对整颗行星重元素总量的直接测量。要将这些结果与形成过程联系起来，需要建立吸积、化学处理和演化中的行星盘模型。[24]

例如，碳氧比可以帮助比较不同的形成情景。但它无法提供一个唯一的、行星最初距恒星的距离：不同的盘化学组成、物质输运和迁移历史，都可能产生相似的大气成分。[24]

行星调查揭示众多系统中的规律

径向速度巡天发现，在其观测的恒星群体中，金属丰度更高的恒星周围更常出现巨行星。考虑恒星质量的研究支持这样一种联系：可用的固体物质与巨行星的形成有关。这是一种统计趋势，并不能保证每颗恒星都是如此。[25]

行星会对原行星盘施加力矩，原行星盘也会反过来施加力矩。即使打开了空隙的行星也可能发生迁移。传统术语 II 型迁移用于描述这一状态，但行星的运动不一定会刚性地锁定在原行星盘黏性向内流动的轨迹上。[13]

热木星展现了结果可能有多么多样：气态巨行星可以处于公转周期仅几天的轨道上。提出的起源包括通过原行星盘迁移、之后激发出细长轨道并在潮汐作用下收缩，以及在靠近恒星处形成。对于每一颗热木星而言，目前尚未确定唯一的形成路径。[26]

这些问题将行星的质量和组成与其形成环境联系起来。[2], [9], [10]