气冰巨行星的生长

1、气冰巨行星的生长木星和土星主要由氢和氦组成。这些元素不会在原行星盘中发现的 温度和压力下凝结，所以它们一定是从太阳星云的气体成分中被引力俘 获的。对年轻恒星的观测表明，原行星盘只存在几百万年，这为形成巨 型行星所需的时间设置了上限。天王星和海王星也含有大量的氢和氦 （在 325%勺范围内），因此它们也可能在太阳星云散开之前迅速形成。木星和土星也含有比氦重的元素，与太阳相比，它们富含这些元素。 土星的引力场强烈暗示它的中心有一个致密物质的核心，大约包含行星 总质量的1。木星也可能有一个致密的核心，包含一些物质的地球质量。 木星的内部结构仍然很不确定，因为我们缺乏足够的状态方程来描述氢 在行星内部

2、高压下的行为。与太阳相比，这两颗行星的上层大气富含碳、 氮、硫和氩等元素。人们认为这些丰富的物质可能深入到行星内部，但 这仍然是不确定的。巨大的行星可能是由原计划行星盘的引力不稳定区域收缩和坍塌直 接形成的。这个圆盘的不稳定性类似于可能形成行星的引力不稳定性， 但是不稳定性发生在星云气体中，而不是圆盘的固体成分中。如果稳定 性准则接近或低于1,将发生不稳定性，其中是开普勒速度，是声速，和。 是磁盘中气体的局部表面密度。不稳定区域的气体很快变得比周围的物 质密度大得多。圆盘不稳定性需要高表面密度和低声速（冷气体），所以它最有可能发生在一个巨大的原行星圆盘的外部区域。数值计算表明， 在一个质量比最

3、小质量太阳星云大几倍的星云中，不稳定性将发生在大 约5的范围之外。对于一个不稳定的区域，会发生什么取决于气体收缩 时冷却的速度，而这是很多争论的话题。如果气体仍然是热的，稠密的 区域将很快被圆盘的不均匀旋转剪切和破坏。如果冷却是有效的，模拟 表明，引力束缚的团簇将在几百年内形成，这些团簇最终可能会收缩形 成巨型行星。最初，这样的行星是同质的，与星云的成分相同。它们的 结构和组成随后可能会发生变化，这是由于较重元素在中心的重力沉降 和诸如彗星等岩石或冰体的捕获。木星和土星中心致密核心的证据向许多科学家表明，巨型行星是由 核心吸积而不是由圆盘不稳定形成的。在这个模型中，巨行星形成的早 期阶段反映了

4、岩石行星的生长，从形成星象开始，然后是失控和寡头增 长。然而，由于两个原因，行星胚胎在外太阳系会变得更大。首先，这 里的摄食区更大，因为太阳的引力较弱，所以每个胚胎的引力都控制着 星云更大的区域。其次，这里的温度很低，足以使焦油、水冰和其他冰 等易挥发物质凝结，因此有更多的固体物质可用于建造大型胚胎。在外太阳系中，如果星盘的质量是最小质量太阳星云的几倍，那么 在100万年内，通过寡头增长形成的天体质量大约是地球的10倍。体积比火星还大的天体将捕获星云中大量的气体。由于的重力和向外的压力 梯度之间的平衡，这种大气保持平衡。然而，有一个临界核心质量，超 过这个临界质量，胚胎就不能再支撑静止的大气。

5、在这个极限之上，大 气开始崩塌到行星上，形成一个巨大的气体包层，随着时间的推移，随 着从星云中捕获更多气体，质量不断增加。当气体向行星下落时，它会 随着重力势能的释放而升温。行星的增长速度取决于这种热量的辐射速 度。临界地核质量取决于包层的不透明度和星子与地核碰撞的速率，但 计算表明它在320地球质量范围内。胚胎的生长在最初是缓慢的，但一 旦胚胎达到2030个地球质量，生长就会迅速加快。数值模拟表明，木星 质量行星可以在15毫安这样形成。这些行星主要由富含氢的星云气体组 成，但由于固体核心的压力，它们也富含较重的元素。如同圆盘不稳定 一样，行星的外壳可能因与彗星的碰撞而进一步富含重元素。伽利略

6、太空船的测量显示，木星的高层大气中碳、氮、硫和惰性气体氩、氪和氙的含量比太阳高23倍。如果这些丰富的物质是木星作为一 个整体的典型包络线，那就意味着这颗行星捕获了大量的彗星。氩可以 被困在彗星冰层中，但前提是这些冰层的形成温度低于30左右。木星目前与太阳的距离可能比这高得多。这表明要么彗星来自星云较冷的区域， 要么木星本身向内部迁移了很长一段距离。然而，事实上，硫等相对不 稳定的元素与惰性气体的富集程度相同，这表明这些元素可能都是与氢 和氦一起从星云中捕获的气体。如果是这样的话，木星的外壳一定是非 均匀的，较低的层在较重的元素中耗尽，这可能是由于氢被排除在高压 相之外，而上层则富集。目前还不清

7、楚为什么木星和土星达到目前的质量时停止生长。这些 行星的质量非常大，如果附近有天然气供应，它们将继续快速增长。它 们停止生长是有可能的，但不太可能，因为星云恰好在此时分散。一个 更可能的解释是，这些行星的增长放缓，因为它们各自变得足够大，足 以清除星云围绕其轨道的环形间隙。当一颗行星的山丘半径与气盘的垂 直厚度相当时，就会出现间隙清除现象，木星和土星就是这样。气体轨 道比木星离太阳稍微远一点，会被行星的引力加速，使气体远离太阳。 比木星更靠近太阳的轨道上的气体速度减慢，导致它向内移动。这些力 在围绕木星轨道的圆盘上打开了一个缺口，平衡了粘性力，这些粘性力 会导致气体返回缺口。数值纬度表明，通常

8、情况下，气隙并没有被完全 清除，一些气体继续穿过气隙并吸积到行星上。然而，当行星变得更大 时，吸积率下降。天王星和海王星被称为冰巨星计划，因为它们含有大量的物质，如 水和甲烷，在低温下形成冰。它们含有一些氢和氦，但它们没有获得木 星和土星所拥有的巨大气态外壳。这表明，在天王星和海王星形成之前， 星云中的气体已经大量散开，它们的质量足以经受快速的气体吸积。这 可能是因为它们形成于原行星盘的外部区域，那里胚胎生长速度最慢。也有可能星云在某些区域的扩散速度比其他区域快。特别是，由于紫外 线的光蒸发，气体从太阳系逸出，星云的外部区域可能在早期就消失了。一个行星迁移的存在。行星的质量足以打开一个缺口，但

9、仍会在缺 口之外的气体中产生螺旋密度波，但这些波的位置因此离行星更远，因 此迁移速度较慢。当一颗有间隙的行星向内迁移时，气体倾向于在间隙 的内边缘堆积，在外边缘变得稀薄，从而减缓了迁移速度。行星的移动 现在与气体向恒星内部的粘性吸积联系在一起。行星、它的间隙和星云 气体都以相同的速率向内运动。太阳系中的巨行星经历了另一种迁移，因为它们与在巨行星之间和 原始柯伊伯带轨道上移动的星体发生了引力相互作用。这个过程的一个 结果是形成了奥尔特彗星云。一旦木星接近它目前的质量，许多接近它 的行星的行星的将会是。远超过原行星盘的外缘。一些被完全从太阳系 中喷射出来，但另一些仍然弱束缚在太阳上。随着时间的推移

10、，与分子 云、其他附近恒星和星系盘的引力相互作用使这些天体的轨道循环，使 它们不再通过行星系统。在奥尔特云中，许多这样的天体仍在远离太阳 的轨道上运行。这些天体角动量的最终来源是以木星的轨道为代价的， 相应地缩小了。土星、天王星和海王星喷射出一些星体，但它们也扰动 了许多内部物体，然后被木星喷射出来。作为一个结果，土星、天王星 和海王星可能向外而不是向内移动。当海王星向外迁移时，它与环绕星云最外围区域的原始柯伊伯彗星 带发生了动态的相互作用。其中一些彗星是从太阳系中喷射出来的，或 者是向内扰动到木星的。另一些则被扰动到数百年或数千年周期的高度 偏心轨道上，现在形成了分散的圆盘，这一区域延伸到柯

11、伊伯带以外， 但其天体正逐渐被与海王星的近距离接触所移除。海王星以外区域的相 当一部分天体被困在外部平均运动共振中，并随行星向外迁移。冥王星, 目前位于海王星的3:2平均运动共振中，可能代表了其中一个天体。当巨行星移动时，它们有可能通过彼此的轨道共振。特别是，如果 木星和土星通过2:1的平均运动共振，它们的轨道偏心率将显著增加， 这将对整个太阳系产生重要影响。天王星和海王星的偏心会变大，直到 它们被与原始柯伊伯带的动力摩擦所阻尼。许多彗星会因此被扰动到太 阳系内部。此外，巨行星轨道的变化会使许多主带小行星产生不稳定的 共振，也会导致小行星的进入穿过内行星的轨道。目前，还不清楚木星 和土星是否通

12、过了或者是什么时候发生的。有人提出，通过这种共振的 通道是对内行星晚些时候的猛烈轰击负责的，这些轰击发生在太阳系开 始后，并留下了对月球、火星和水星的清晰撞击记录。地球的月亮有许多不寻常的特征。与内行星相比，它的密度很低， 而且它只有一个非常小的核心。月亮是地球的月亮有许多不寻常的特征。 与内行星相比，它的密度很低，而且它只有一个非常小的核心。月球上 的水等易挥发物质消耗殆尽。此外，地球月球系统每单位质量有大量的 角动量。如果将它们组合成一个整体，物体将每 4小时旋转一次！如果 月球的形成是由于地球和另一个大的、不同的天体（有时被称为）在地 球形成后期发生斜碰撞的结果，那么所有这些特征都可以理

13、解。对这次巨大撞击的数值模拟显示，泰亚的大部分地核可能已经沉过 地幔，与地核结合。熔岩和蒸汽化的地幔物质从两个天体被喷出。碰撞 过程中物质高度非球形分布所产生的引力矩，使一些地幔物质具有足够 的角动量进入绕地球的轨道。这种物质很快形成了一个圆盘，月球从中 吸积。月球的某些组成特征与地球的某些特征非常相似，这意味着（1）是由类似的物质的，（2）凝结形成月球的蒸汽和碎片与地球的外部物质 完全平衡，或者（3）月球主要由来自地球的物质组成，而不是，尽管数 值模拟倾向于。在这种情况下相反。撞击释放了大量的能量，使圆盘充分受热，许多易挥发物质逸出。 因此，月球主要是由挥发的亏损地幔物质形成的，这解释了月球

14、目前的 组成。模拟结果表明泰亚的质量可能与火星相似，火星的质量约为地球 的十分之一。我们对的组成知之甚少，除了它和火星一样，与地球相比， 它似乎富含地球化学挥发性元素，如铷。地球和月球具有相同的氧同位 素特征（0）。人们一度认为这意味着地球和具有相似的同位素组成，但 现在这种相似似乎是月球形成时地球和原月盘之间物质交换的结果。与地球相比，巨型行星的卫星与其母行星的相关性要小得多。尽管 月球的质量约为地球的1/80，但木星、土星和天王星的卫星系统各自的 质量约为各自行星的1/10000。巨行星的卫星可以分为两类，它们具有不 同的性质。那些靠近母行星的行星在赤道的同一平面上有着近乎圆形的 轨道，并

15、且在行星旋转的同一方向上有着同样的轨道。这些被称为常规 卫星。离地球更远的卫星往往有高度倾斜和偏心的轨道，因此这些卫星 被称为不规则卫星。常规的卫星往往更大，包括木星的伽利略卫星和土 星最大的泰坦卫星。常规卫星的轨道表明，它们是由围绕每颗行星运行的富含气体的行 星盘形成的，而不规则卫星被认为是后来捕获的。由于型移动，大型卫 星会通过一个环绕行星的圆盘迅速向内移动，时间尺度与太阳星云的寿 命相比很短。由于这个原因，可能形成了几代卫星，我们今天看到的卫 星是最后一代。这些卫星可能是由起源于太阳星云的星体形成的，当它 们通过环绕行星盘中相对稠密的气体时被减速并捕获。涉及两个或多个卫星的轨道共振是常见

16、的。例如，伽利略内部的三 颗卫星一一木卫一、木卫二和木卫三的轨道周期是 1:2:4。这与除了海王 星和冥王星以外的行星之间没有共振形成了对比。卫星共振的普遍存在 表明，许多卫星在形成过程中或形成之后迁移了相当长的距离，在途中 被共振捕获。随着越来越多的卫星通过其行星的吸积盘向内迁移，可能 会产生一些共振。当行星和卫星之间的潮汐相互作用导致卫星以不同的 速度向外移动时，其他的行星可能会在晚些时候出现。海王星卫星系统与其他巨型行星的卫星系统不同，它拥有相对较少 的卫星，其中大部分质量包含在一颗比冥王星大的大卫星中。与太阳系 中所有其他大型卫星不同，卫星的轨道是逆行的，这是不寻常的。这表 明它是被捕获的，而不是在原地形成的。已经提出了几种捕获机制，但 大多数都是