行星可能在恒星尚未完全形成时就开始诞生

在已知的数千颗系外行星中，存在一个庞大的紧凑系统种群，每个系统都有多颗行星在非常靠近其中心恒星的轨道上运行。这与我们的太阳系形成鲜明对比，太阳系中不存在比水星轨道更近的行星。有趣的是，在紧凑系统中，每个系统的行星总质量相对于宿主恒星的质量，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是个谜。

科罗拉多州博尔德市西南研究所（SwRI）太阳系科学与探索部门的Raluca Rufu博士和Robin Canup博士利用先进模拟表明，早期形成的幸存行星与紧凑系统的多个观测特征相匹配，包括紧密的行星轨道和普遍质量比。早期行星的生长也与阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）望远镜先前对年轻恒星周围原行星盘的观测结果一致。

"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》论文第一作者Rufu表示。"它们包含多颗大小相近的岩质行星，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，紧凑系外行星系统中观测到的普遍质量比，与我们的气态巨行星卫星系统相似。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，表明紧凑系统可能反映了类似的底层物理过程，"Canup说道。

恒星形成于气体和尘埃组成的分子云因自身引力坍缩之时。当物质从星云坠向中心恒星时，首先会沉积到环绕恒星的星周盘中。物质坠积结束后，该盘会持续存在数百万年，之后气体才会消散。行星在盘内形成，始于尘埃颗粒间的碰撞与积聚，最终通过行星的引力组装完成。

"传统观点认为行星组装始于恒星物质坠积结束之后。然而，最近的ALMA观测提供了有力证据，表明行星吸积（即形成）可能开始得更早，"Rufu指出。"我们提出紧凑系统是物质坠积最后阶段行星吸积过程的幸存遗迹。"

新的数值模拟显示，在物质坠积期间，生长中的行星收集岩质物质，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。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趋向于产生大小相似的行星，其特征质量由物质坠积和盘的条件决定。

"我们发现物质坠积期间吸积的行星可以存活到气体盘消散且轨道迁移停止，"Canup表示。"重要的是，在广泛的条件范围内，幸存系统的质量与宿主恒星质量成正比，这为观测到的多行星紧凑系统具有相似质量比提供了首个解释。"

该设想过程类似于木星等巨行星周围卫星的可能形成方式。卫星在环绕行星的盘内生长，该盘由来自星周盘的气体和尘埃物质持续坠积供给。关键差异在于时间尺度：卫星形成盘一旦坠积停止会迅速消散，而恒星周围的行星形成盘可持续数百万年之久。这种微妙差异导致紧凑行星系统的质量比略低于气态巨行星的卫星系统。

"令人兴奋的是，年轻星盘中早期组装的过程可能在截然不同的尺度上以相似方式运作，"研究团队指出。