气态行星是如何形成的?

气态行星是如何形成的?

对气态巨行星,现在一般采用星核吸积(core accretion)模型,该模型下主要阶段如下图。

(1)星核形成:原行星盘中最初只有微米尺度的尘粒,此时与盘中气体的相互作用主导动力学;它们逐渐聚集形成千米尺度的星子,星子间不断碰撞吸积形成足够大质量的核,具体来说这又主要有三个阶段:

(1a)迅猛增长(runaway growth):最初,星子间粘滞搅拌(viscous stirring)和气体拖曳(gas drag)的平衡决定了速度分布,导致一小部分星子迅速增长;

(1b)寡头增长(oligarchic growth):当最大的星子导致的粘滞搅拌速率首次超过其他星子间搅拌速率时,迅猛增长停止。此后更强的粘滞搅拌将导致平衡时星子的离心率和倾角增大,限制了原行星引力作用的散射截面,星子增长将由局域过程主导;

(1c)最终当寡头清出周围物质后,它们独立的增长停止。接下来发生引力主导的寡头间的碰撞和散射,最终形成足够大质量的核;

(2)流体静力学增长(hydrostatic growth):当核的引力足够强,逃逸速度超过周围气体热速度时,就开始吸积气体而形成包层。起初稀疏的包层和核处于流体静力学平衡,气压抗拒核的引力而阻碍进一步吸积。但辐射和对流将导致气体丢失能量,包层收缩,更多气体受到核的引力,从而核能缓慢地吸积更多气体。同时核也在继续吸积星子,最终达到某个临界质量;

(3)迅猛增长:超过临界质量后无法再达到静力学平衡,而是动力学相互作用主导,吸积气体速率加快,原行星迅速增长;

(4)最终核的吸积以及盘的耗散导致周围气体耗尽,原行星停止增长,逐渐冷却和收缩。

References:

P. Armitage, Astrophysics of Planet Formation, Cambridge, 2020.

胡中为, 新编太阳系演化学, 上海科学技术出版社, 2014.

标签:气态,行星,太阳系,天体物理学,物理科普,宇宙