气冰巨行星的生长.docx

气冰巨行星的生长木星和土星主要由氢和氨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氨 （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氨重的元素，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、硫和鼠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太空船的测量显示，木星的高层大气中碳、氮、硫和惰性气体鼠、氟和氤的含量比太阳高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。

鼠可以 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 和氨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氨，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，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 阳系内部止匕外，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止匕外，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，如锄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 大多数都是低概率事件，这使得它们不太可能解释的起源一个更合理 的想法是，特里顿曾经是一个双星的一部分，像冥王星查伦系统，围绕 太阳运行在与海王星的一次亲密接触中，两个部分被分开了海卫一 的同伴仍在围绕太阳的轨道上，带着足够的动能离开。