行星甚至可能在恒星形成结束前就开始形成

在已知的数以千计的系外行星中，存在一个庞大的紧凑系统群体，其中每个系统都有多颗行星围绕其中心恒星近距离运行。这与我们太阳系形成鲜明对比，后者在水星轨道以内没有行星。有趣的是，在紧凑系统中，相对于宿主恒星质量，每个系统的行星总质量在数百个系统中表现出惊人的一致性。这种普遍质量比的成因仍然是个谜。

位于科罗拉多州博尔德市的西南研究所（SwRI）太阳系科学与探索部门的拉卢卡·鲁富博士和罗宾·卡纳普博士使用了先进的模拟。模拟表明，早期形成的幸存行星与紧凑系统的多个观测特征相符，包括紧密的行星轨道和普遍的质量比。早期行星生长也与阿塔卡马大型毫米波阵列（ALMA）望远镜先前对年轻恒星周围盘状结构的观测结果一致。

"紧凑系统是系外行星科学的重大谜团之一，"萨根学者、描述这项研究的《自然·通讯》论文主要作者鲁富表示。"它们包含多颗大小相似的岩石行星，呈豌豆荚状排列，并且具有一个与我们太阳系行星截然不同的普遍质量比。"

"耐人寻味的是，在紧凑的系外行星系统中观察到的普遍质量比类似于我们气态巨行星的卫星系统。这些卫星被认为是在气态行星完成其形成过程中发展起来的。这似乎是一个强有力的线索，表明紧凑系统可能反映了相似的底层过程，"卡纳普说道。

恒星形成于气体和尘埃组成的分子云在其自身引力作用下坍缩之时。当物质从云中坠向中心恒星时，首先会沉积到围绕恒星运行的环恒星盘中。坠积结束后，盘状结构在气体消散前会持续存在数百万年。行星在盘内形成，从尘埃颗粒间的碰撞和积累开始，最终以行星的引力聚集结束。

"传统观点认为，行星的聚集是在恒星坠积结束后才开始的。然而，最近的ALMA观测提供了有力证据，表明行星吸积或形成可能开始得更早，"鲁富指出。"我们提出，紧凑系统是坠积最后阶段发生的行星吸积过程中幸存下来的遗迹。"

新的数值模拟显示，在坠积期间，正在生长的行星收集岩石物质，同时其轨道通过与周围盘状气体相互作用而逐渐向内螺旋迁移。随着行星质量增加，其向内轨道迁移加速，因此质量超过临界值的行星会坠入恒星并被吞噬。这种行星生长与损失之间的平衡往往会产生大小相似的行星，其特征质量由坠积条件和盘状结构条件决定。

"我们发现，在坠积期间吸积形成的行星可以存活到气体盘消散且轨道迁移结束之时，"卡纳普表示。"重要的是，在广泛的条件下，幸存系统的质量与宿主恒星的质量成正比，这首次为观测到的多行星紧凑系统具有相似质量比的现象提供了合理解释。"

这一设想的过程类似于木星等巨行星周围卫星可能的形成方式。卫星在围绕行星的盘状结构中生长，该盘由来自环恒星盘的气体和尘埃物质坠积供应。关键区别在于时机：卫星形成的盘状结构在坠积停止后会迅速消散，而围绕恒星的星周盘（行星形成盘）可持续数百万年之久。这一细微差异导致紧凑行星系统的质量比略低于气态巨行星卫星系统。

"令人兴奋的是，年轻盘中的早期聚集过程在截然不同的尺度上可能以类似方式运作，"研究团队指出。