天文學家發現行星形成的新機制

在過去的二十五年，天文學家已經發現了超過四千顆行星，它們位於我們太陽系的邊界之外。從相對較小的岩石和水上世界到熾熱的天然氣體巨人，這些行星展現出了驚人的多樣性。天文學家用來研究行星形成的複雜電腦模型也發現可以產生截然不同的行星。這些模型更難解釋的是，觀察到圍繞其它恆星發現的行星的質量分佈，大多數都屬於中等質量的範疇，即是質量為幾個地球質量的行星到海王星附近的質量。即使在太陽系的背景下，天王星和海王星的形成仍然是一個謎。蘇黎世大學、劍橋大學的科學家與瑞士國家科學基金會提出由綜合模擬方式的另一種解釋。

瑞士國家科學基金會成員，蘇黎世大學計算天體物理學教授盧西奧·梅耶（Lucio Mayer）表示，當行星由氣體和塵埃的原行星盤形成時，重力不穩定性可能是驅動機制。在此過程中，行星盤中的灰塵和氣體由於重力而聚集在一起並形成緻密的螺旋結構。然後，它們成長為行星構造塊，最終聚合成為行星。

梅耶指出，發生此過程的規模非常大，跨越了原行星盤的規模。但是在更短的距離上，另一種力量佔主導地位：與行星並排發展的磁場的力量。

領導今次研究的梅耶教授的前博士研究生，現為劍橋大學研究員鄧洪平博士認為，這些磁場攪動行星盤的氣體和灰塵，從而影響行星的形成。為了全面了解行星的形成過程，重要的是不僅要模擬行星盤中的大型螺旋結構。還必須包括正在生長的行星構造塊周圍的小規模磁場。

但是，重力和磁力的大小和性質的差異使這兩個力很難集成到同一行星形成模型中。到目前為止，電腦模擬很好地抓住其中一種影響，通常對另一種效果會很差。為了獲得成功，團隊開發了一種新的模擬技術。這需要在多個不同領域的專業知識：首先，他們需要對重力和磁力有深刻的理論理解。然後，研究人員必須找到一種將理解轉化為代碼的方法，該代碼可以有效地計算出這些對比力。最後，由於大量必要的計算，因此需要一台功能強大的電腦，例如瑞士國家超級電腦中心的皮茲·丹特（Piz Daint）超級電腦。梅耶教授表示：除了理論上的見識和我們開發的技術工具之外，我們還依賴於計算能力的提高。

鄧洪平解釋，面對困難，一切都在正確的時間匯聚在一起並實現了突破。通過我們的模型，我們能夠首次證明磁場使成長中的行星難以繼續積累超過一定點的質量。結果，巨型行星變得越來越稀少，中間質量的行星變得越來越頻繁，類似於我們在現實中觀察到的情況。

蘇黎世大學理論天體物理學教授拉拔·曉耳（Ravit Helled）說：「這些結果只是第一步，但清楚顯示行星形成的模擬中考慮更多物理過程的重要性。我們的研究有助於理解在我們的銀河系中非常常見的形成中間質量行星的潛在途徑，結果有助於我們大致了解原行星盤的物理特性。」

【圖、文：節譯自蘇黎世大學2021年2月12日新聞公佈】研究全文刊登在2021年2月11日出版的《自然-天文學》期刊