一位藝術家將一顆被原行星盤環繞的恆星的再現
在我們太陽系的早期，建造一顆行星的最快方法可能是通過小的身體，而不是巨大的，相互碰撞。
大約45億年前，太陽系是一個充滿行星學步兒童的託兒所。在年輕的太陽周圍，圍繞著太陽系誕生時遺留下來的氣體和塵埃。在軌道圓盤上布滿了行星，巖石的物體大約有1到100公裡寬，而更大的原行星大約有1000公裡寬。這就好像一群不同大小的孩子被關進了同一個房間。就像任何託兒所一樣，這裡是一個吵鬧的地方。星星嗖嗖地飛過，偶爾撞到一起。灰塵和巖石的碎片在災區疾駛而過。這花了幾百萬年的時間，才使得學齡前的混亂局面得以穩定下來，而今天的大部分行星都將出現。
科學家們過去認為，行星形成的行星碰撞和融合，就像一把橡皮泥一樣被打在一起。但事實證明，這個過程可能會花費太長時間。因此，天文學家最近提出了一種新的方法來解釋行星的生長情況。計算機模擬顯示，在塵埃盤內的小卵石將會被不斷增長的原行星所覆蓋。這些微小的卵石聚集得如此之快，以至於原行星迅速成長為成熟的行星——就像一個孩子突然裝上了足夠的體重，變成了一個成年人。
這一理論被稱為「鵝卵石吸積」，正在重塑科學家對早期太陽系的看法。它還開闢了新的研究方向，例如探索行星如何圍繞太陽以外的恆星形成。「你可以輕鬆快速地形成這些身體，」瑞典隆德大學的天文學家Michiel Lambrechts說，他也是這一理論的作者之一。「鵝卵石的增長為許多問題提供了解決方案。」
在這些問題中，最主要的問題是，在布滿灰塵的圓盤耗盡了製造它們所需的原材料之前，行星是如何形成的。模型顯示，在大約100萬到1000萬年的時間裡，這個圓盤將會被清除掉，因為它的氣體蒸發了，它的塵埃變成了新生太陽的引力。最大的行星，如木星和土星，在圓盤消失之前，以某種方式將大約10個地球質量的核心聚集在一起。從行星上製造行星可能會花費太長時間，因為行星上的行星通常會在沒有被引力捕獲的情況下經過一個小行星。
另一方面，小鵝卵石很容易被原行星的引力捕獲，它們的積累可以在幾百萬年左右的時間裡建造一個行星。天文學家知道這些鵝卵石的存在，因為他們已經看到它們圍繞著幼恆星運行。通過射電望遠鏡，例如新墨西哥索科羅附近的大型陣列望遠鏡，通過無線電波長的材料發光，測量了原行星盤中粒子的大小。這些圓盤通常包含大量的鵝卵石——在某些情況下，相當於數百個地球質量慢慢地向恆星漂移。
當較小的塵埃顆粒碰撞並合併時，鵝卵石就形成了。「圓盤上的大部分塵埃變成了鵝卵石，」隆德大學的天文學家安德斯約翰森說，他也是該理論的另一位作者。他把原行星盤稱為「卵石工廠」。
大約在2010年，約翰森和蘭布雷奇開始思考這些卵石是如何與行星誕生的。他們開始了一系列的計算，關於鵝卵石如何與漂浮在原行星盤上的其他大的碎石碎片相互作用。令他們吃驚的是，約翰森和蘭布雷奇發現，鵝卵石可以迅速地在原行星上看到。
關鍵是摩擦。想像一下，一束由100公裡寬的原行星組成的小石子。當鵝卵石在圓盤內犁入氣體時，摩擦力使它們的速度減慢，足以被原行星的重力場捕獲。卵石開始在較大的巖石周圍循環，很快就會撞到它的表面。每一次碰撞都增加了一點質量——隨著足夠多的碰撞，原行星迅速成長，達到1000公裡或更遠。Lambrechts說：「在很多方面，鵝卵石的吸積是向身體添加質量的最有效方式。」
Lambrechts說，如果一個原行星盤包含等量的巖石，一半在行星上，一半在鵝卵石中，那麼這些鵝卵石就會比星子的質量高出1000倍。他和約翰森在2012年開始的一系列論文中報告了他們最初的想法，並在去年的地球和行星科學年度回顧中發表了一篇概述。
卵石的增加有助於解釋許多關於太陽系的特徵。首先，美國宇航局的朱諾號宇宙飛船，現在環繞木星運行，發現這個氣態巨行星的核心比科學家們預想的要大得多，也更分散。約翰森說，這可能意味著pebble的增長正在發揮作用，這是在塵埃盤消散之前，建立一個大的核心的唯一方法。
卵石的增加也說明了天王星和海王星是如何形成的。令人困惑的是，這些冰巨行星以大核開始，但並沒有像木星和土星那樣，用大量的氣體把自己包裹起來。小木星和小土星最終到達了一個叫做「卵石隔離質量」的點，在那裡它們足夠大，可以在周圍的氣體中產生一個壓力隆起，從而推開任何接近的鵝卵石。一旦它們停止吞噬卵石，木星和土星就開始吸收氣體。相比之下，天王星和海王星從未到達過鵝卵石隔離層，後者隨著軌道距離的增加而增加。他們變成了冰巨星，而不是氣態巨行星。
在太陽系之外，卵石的增加解釋了諸如大行星如何在離恆星很遠的地方形成的奧秘。例如，年輕的恆星HR 8799，距離地球約129光年，有4顆比木星大的行星，其軌道距離地球到太陽的距離是68倍（相比之下，木星的軌道大約是地球-太陽距離的5倍）。約翰森和Lambrechts的計算機模擬顯示，這些行星可能已經開始向更遠的地方發展，並將卵石捲走，隨著它們向當前的軌道旋轉，它們的體積越來越大。整個過程可能發生在原行星盤的生命周期中。這在舊的場景中是不可能發生的，因為在這些遙遠的距離上，沒有足夠的行星來有效地吸收。
一個大問題仍然沒有答案：最初的原行星從何而來？一種可能是被稱為「雪線」的地方——距離一顆液態水凍結的恆星的距離。在那裡，灰塵和鵝卵石經歷了它們的物理屬性的轉變，因為它們從潮溼變成了乾燥。它們開始聚集在一起，不像在恆星周圍的其他部分，可以形成大塊的大塊，作為行星的種子，讓其他的鵝卵石在上面生長。
蘇黎世大學的天體物理學家喬安娜德科斯卡說，這使得「雪線」成為第一批原生行星誕生的好地方。她最近在天文學和天體物理學雜誌上發表了這一觀點。一旦這些初始的原行星被建立起來，它們就可以開始在圓盤上吞噬鵝卵石了。
這種情況可能發生在地球上最著名的行星系統之一：環繞恆星TRAPPIST-1的7顆地球大小的行星，距離地球39光年，位於寶瓶座。阿姆斯特丹大學的天文學家Chris Ormel和他的同事們最近計算出，原行星開始在恆星周圍的雪線上形成，然後通過吸收卵石迅速生長。這些新生的行星以地球的大小而停止，因為它們的引力影響了周圍的圓盤。「這個特殊的系統很難用經典的概念來解釋，」奧梅爾說，但是鵝卵石的增長可以做到這一點。Lambrechts說，隨著天文學家們在其他恆星周圍發現越來越多的行星，鵝卵石的增加可以幫助他們了解發現的行星類型是如何進化的。「它使所有的行星形成更加動態。」