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因为不可能亲眼目睹其过程，太阳系行星如何形成一直困惑着科学家们。研究者们一般认为木星和土星成长自较小岩石和水冰团块的碰撞，在称为星子的原行星上构造起来。但当时的模型生成的行星个数远远太多。

科学家们的新计算机模型发现了这些庞大的奇迹从碎石集结而来的一种方式。

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早期岁月

我们的太阳系形成时看上去非常不同。四大巨行星——木星、土星、天王星和海王星——比现在间距更紧密，离太阳也更近，直到它们间的相互作用把后两者甩至更遥远的空间。

因此，巨行星可能是在比今天更近的地方形成的。它们的岩石和冰核心最先形成，再吸引层层气体将他们包裹，形成今天的巨大体积。但一直以来的问题是解释它们的核心是如何建立的。主导理论是，大小从几英尺到几百英里不等的小团块互相吸引建立起核心。但模型生成出来的核心数量远远太多——几百个，而不是太阳系里见到的仅仅四个。

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碎石问题

作为解决这个问题的一种办法，有些科学家提出，也许较小的初始材料——称为碎石——并不都是同时存在的。

在行星演化中，碎石比星子先出现。起初，尘埃和尘埃聚集，然后小石块材料聚集，最终巨石聚集起来——直到太阳系充满了数米到数百公里大的岩质物体。在行星科学术语里，这些叫做“碎石”。

Michiel Lambrechts和Anders Johansen的“碎石吸积”理论假定是这些碎石形成了木星和其它行星的基本原料，碎石并不仅仅通过引力相互作用，因为他们被包裹在气体圆盘中，气动阻力也影响到它们的堆积。Lambrechts和Johansen的理论结合了这个阻力，但问题是在该理论下，年轻行星增长得快太多了。

第一作者Hal Levison说：“我得承认，刚接触到这个想法时，其实一开始我是拒绝的，试图证明它是错误的。”但他和同事为他们的研究构建了碎石吸积理论并发表在今天出版的《自然》上。

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跑数字

Levison和同事们跑了计算机模拟来求解Lambrechts和Johansen的模型所基于的方程式，在基本碎石吸积模型下对我们太阳系的一次模拟钟，科学家们得出了约300个地球质量的行星——这也差得太远了。

但他们寻思，如果尘埃不是一直都在合并形成碎石，而是以不同速率形成，会发生什么。这会在同一时间形成较少碎石，也许能促使他们聚集成少数几个行星。

这正是他们所见到的，行星核心开始形成，但引力相互作用很快隔离开许多婴儿行星，把较小的行星抛出气体盘。Levison说：“那些个子较小的家伙轨道偏心和倾角变得更大，从碎石所在的气体盘中退散。因此它们就被饿毙而无法增长。只有最大的那些行星停留在碎石所在地区，”这意味着它们能继续增长。

而这种安排生成了我们外太阳系令人印象深刻的准确再现。研究者们发现他们的模拟在离太阳5至15个天文单位间产生了1至4个气体巨行星，而这就是这些行星现今所在之处。

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更多模型

这个发现还远未能给太阳系形成盖棺定论。首先，它并未考虑内行星。因为内行星形成所需时间更长，因此模拟的时间跨度更大，模拟它们形成要更困难得多。内太阳系也在较小的空间里塞进了更多天体，而这些天体在轨道上运行也更快。这两个原因意味着其模拟比外行星模型所使用的需要多得多的解析元素。

Levison的团队下一步计划调查内太阳系可能如何形成“碎石吸积”模型。如果这个理论也能复制到四个内行星的形成上，行星科学家们离弄懂行星如何形成就更近一步——它也会是计算机模拟和碎石吸积模型互动的胜利。

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本文译自 Discover，由 王丢兜 编辑发布。

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