行星可能在恒星完全形成之前就开始形成

在已知的数千颗系外行星中，存在一个庞大的致密系统种群，其中每个系统都有多颗行星围绕其中心恒星在极近轨道运行。这与我们的太阳系形成鲜明对比——太阳系中没有比水星轨道更近的行星。有趣的是，在致密系统中，每个系统内行星总质量相对于宿主恒星质量的比值，在数百个系统间呈现出惊人的一致性。这种普遍质量比的成因仍是个谜。

位于科罗拉多州博尔德的西南研究院（SwRI）太阳系科学与探索部门的拉鲁卡·鲁夫（Raluca Rufu）博士和罗宾·卡纳普（Robin Canup）博士利用先进模拟表明，早期形成的幸存行星与致密系统的多个观测特征相匹配，包括紧密的行星轨道和普遍的质量比。早期行星增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的观测结果一致。

「致密系统是系外行星科学的重大谜团之一，」萨根学者、描述此项研究的《自然·通讯》论文第一作者鲁夫表示。「它们包含多颗大小相近的岩石行星，如同豆荚中的豌豆，并且具有与我们太阳系行星截然不同的普遍质量比。」

「耐人寻味的是，致密系外行星系统中观测到的普遍质量比，与我们气态巨行星的卫星系统相似。这些卫星被认为是在气态巨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，表明致密系统可能反映了类似的深层过程，」卡纳普说道。

恒星由气体和尘埃组成的分子云在自身引力作用下坍缩形成。当物质从星云向中心恒星下落时，首先会沉积到围绕恒星运行的星周盘中。吸积过程结束后，盘中的气体将持续存在数百万年才最终消散。行星形成于盘内，起始于尘埃颗粒间的碰撞与累积，最终通过引力组装成行星。

「传统观点认为行星组装始于恒星吸积结束后。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更早开始，」鲁夫解释道。「我们提出，致密系统是吸积最后阶段发生的行星吸积过程的幸存遗迹。」

新的数值模拟显示，在吸积过程中，成长中的行星收集岩石物质，同时其轨道通过与周围盘内气体的相互作用逐渐向内螺旋迁移。当行星质量增加时，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。这种行星增长与损失之间的平衡，往往会产生大小相似的行星，其特征质量由吸积条件和盘环境决定。

「我们发现，在吸积期间形成的行星可以存活至气体盘消散且轨道迁移停止，」卡纳普指出。「重要的是，在广泛的条件下，幸存系统的总质量与宿主恒星质量成正比，这为观测到的多行星致密系统具有相似质量比提供了首个解释。」

设想的过程类似于木星等巨行星周围卫星的形成方式。卫星在环绕行星的盘内成长，该盘由来自星周盘的下落气体和尘埃物质供给。关键区别在于时间尺度：卫星形成盘一旦吸积停止便会迅速消散，而恒星周围的行星形成盘可持续数百万年之久。这种微妙差异导致致密行星系统的质量比略低于气态巨行星的卫星系统。

「令人振奋的是，年轻行星盘中的早期组装过程可能在迥然不同的尺度上以相似方式运作，」研究团队指出。