當初僅適用于我們太陽系的形成理論,在銀河系內發(fā)現(xiàn)了超過200個外太陽系之后,理論學家認為這個理論應該要能適用整個宇宙中的行星形成。
假說主張一個行星系統(tǒng)原始的型態(tài)應該是一個巨大的(典型的直徑應該有~10,000天文單位),由非常低溫的星際氣體和一部分巨大的分子云組成,大致成球形的云氣。這樣的一個星云一旦有足夠的密度,在本身的重力作用下便會開始收縮,也可能經由鄰近區(qū)域產生的重力波(像是超新星造成的震波)壓迫了分子云,造成重力塌縮的開始。星云的成分將反映在形成的恒星上,像我們太陽系的星云相信是由98%來自大爆炸的氫和氦(以質量計算),以及2%來自早期死亡的恒星拋回星際空間的重元素組成。重元素所占的比例就是所謂的星云的金屬性。在統(tǒng)計上,金屬性高的恒星(也就是在金屬含量較高的星云中形成的恒星)較有可能誕生行星。一旦開始,太陽星云的收縮就會慢慢的、但無可避免的加速。
在塌縮中,有三種物理過程會塑造星云,溫度上升、自轉加速和平坦化。溫度的上升是因為原子加速向中心掉落并深入重力井中,并變得更為緊密,碰撞更為頻繁,重力位能被轉換成動能或是熱能。其次,即使當初極為細微的,太陽星云只要有一點點的凈自轉(角動量),會因為角動量的守恒,星云的尺寸縮小時就必需轉得更快。最后,星云必須成為扁平的盤狀,稱為原行星盤,是因為當氣體的小滴碰撞和合并時,它們運動的平均值傾向于凈角動量的方向。
對八塊不同年代,但都在太陽系形成的最初三百萬年內的隕石所做的地質分析顯示,大約在太陽形成的一百萬至二百萬年,太陽系曾經遭受鐵-60的轟擊,其來源可能是和太陽在同一個區(qū)域內誕生,但短命的巨型恒星成為超新星所導致的。
一個密度不斷增加的原恒星會累積成為太陽星云的重心。在行星在盤中形成的過程中,原恒星會持續(xù)的繼續(xù)變得更為緊密,直到一千萬至五千萬年后,它最后終于達到核融合所需要的溫度和壓力,這時恒星就誕生。一顆這樣的年輕恒星(金牛T星)所發(fā)出恒星風,比形成恒星的力量強大許多,最后將會吹散掉落剩余在行星盤的氣體,并且結束主要的吸積過程(特別是氣體巨星的)。像在恒星生命中的許多過程,在原恒星階段所花費的時間也取決于質量,質量越大塌縮的越快。
在原行星盤的氣體,同時間內,從重力崩潰中心的熱化中,當溫度逐漸降低,塵粒(金屬和硅化物)、冰(含氫的,像水、甲烷和氨)和顆粒從氣體中被凝聚出來(固化)。這些顆粒在相互間輕柔的碰撞和靜電的作用下,開始增生的程序。氣體的原子和分子的量雖然豐富,但因為運動的快速使得靜電不足以約束它們的行動,因此不會增生。在盤中占有98%質量的氫和氦,在太陽星云中仍是不能凝聚的氣體。
在盤中的固體成分是以原先存在于星云中的微塵粒為種子形成的,這些星際介質中的顆粒直徑通常都小于一微米,但經由在原行星盤中的碰撞,它們的大小可以增長成微行星(照字義講是非常小的行星)。這些塵粒最初散布在整個盤內,但預期會如下雨般的集中在盤的中段,就如同當初分子云因重力塌縮而形成盤狀,所以這些顆粒沉降在盤面的中段,但因為沒有丟失角動量,所以不會沿著徑向朝原恒星的方向移動。不同大小的顆粒,以不同的速度落下,沿途也會搜集更多的塵粒。在隨機的任意增長下,比例上,較大的塵粒增長的也較快;這樣的狀況也使得表面積越大的塵粒越容易和其它的塵粒遭遇和結合。數量龐大且蓬松的塵粒,也能對氣體產生阻擋與吸附的功能。這也可能在行星形成之前,讓固體無須聚集在新形成的恒星上。高速的撞擊也可能打碎形成的維行星,這意味著塵粒和微行星是可以互相轉換的。在盤面上湍流在這些碰撞中扮演一種角色,如果湍流太強烈,落向中間平面的雨滴會受到阻礙,同時在微粒間破壞性的碰撞也會很普遍。一旦微行星的數量變得充足且夠大,它們的重力會幫助更多的顆粒凝聚。強烈的湍流也許會妨礙重力引起的凝聚,導致成長只能經由兩顆的互撞。然而,如果顆粒要長成大約1公里大小的微行星,必須要歷時大約10,000年。
因為微行星的數量眾多,并且散布在原行星盤中,就有許多可能發(fā)展成行星系統(tǒng)。小行星被認為是剩余的微行星,彼此間逐漸磨損成越來越小的碎片,同時,彗星則是在行星系中距離較遠的是微行星。隕石是落到行星表面的微形星樣品,并且提供許多太陽系形成的信息。原始型態(tài)的隕石體是被撞碎的低質量微行星的大片碎塊,沒有因為重力而發(fā)生分化;同時,分化過的隕石體則是質量較大的微行星被撞擊后的大片碎塊。只有最大的那些微行星能在遭受到低質量微行星的撞擊后還能夠繼續(xù)的成長。
當微行星成長時,它們的數量逐漸減少,碰撞的頻率也會降低。由于自然成長的隨機性,使得微行星成長的速率各自不同,而有些會成長的比其他的都大。當微行星繞著新生的恒星轉動時,動態(tài)摩擦使得微行星的動能(動量)保持著平均的分布,因此最巨大的運動的速度也最慢,軌道也趨近于圓形;而較小的微行星運動的速度較快,軌道的扁率也較大。值得注意的是,運動越遲緩的天體有越大的碰撞截面積,重力則可以提高一顆微行星攔截到另一顆微行星的半徑。必然的,越大越慢的微行星能更加有效的兼并周圍共同成長中的微行星;而速度較快、質量較低的微行星就難以繼續(xù)成長,這迅速的導致逃離過程,在盤內每一個區(qū)域中最大的微行星將成為各區(qū)的主宰,會比微行星海中其他的成長的更快。這些大質量的個體完全的掌握在盤中的固體物質,稱為寡頭執(zhí)政,意味著少數規(guī)則;這種過程稱為寡頭成長。這些少數的微行星在大小上迅速的增加,在寡頭成長開始前,已經有數十公里的直徑,將成長到幾百公里,最終可以到數千公里的直徑。
寡頭成長的過程會自我設限,每一個寡頭都有固定的哺養(yǎng)區(qū)(取決于他的碰撞截面積),一但所有共同成長的微行星都被吸附,就不會再繼續(xù)成長。令人半信半疑的是這些區(qū)域的大小是否有足夠的固體,能夠讓寡頭者成長到類地行星的大小,因為理論上這些區(qū)域的微行星只能讓寡頭者成長到數百公里的大小。然而,可能是湍流再次起了作用,因為它能夠增加或減少微行星的角動量,提供任何形式的徑向運動組合,這或許能穩(wěn)定的提供新的材料給哺養(yǎng)區(qū),讓寡頭者能繼續(xù)的成長。
無論寡頭者是如何的繼續(xù)成長,它們在(在凍結線的內側)一百萬年內可以達到的典型大小是0.5至1個地球質量上下,已經大到足夠被稱為原行星。因為有更高密度的固體物質可以利用,在盤的外側可以生長得更大。在類地行星的區(qū)域內可能有幾打的寡頭者彼此遠離的散布著,在動態(tài)性的隔離下,即使經過數百萬年或數千萬年也不會碰撞在一起。
在原行星盤內的溫度是不一致的,并且這是了解地球型和木星型行星之間分化的鑰匙。在凍結線內側的溫度太高(超過150K)使氫化物不能凝聚,它們仍然保持氣體狀態(tài)。能夠被堆積的只有金屬和硅酸鹽類的塵粒。因此在這個區(qū)域的微行星整個都由巖石和金屬組成,例如小行星,并且組成類地行星。
在凍結線的外側,由氫組成的水、甲烷和氨都能夠凝固成固體,成為'冰'的顆粒并且堆積起來。巖石和金屬的塵粒依然可以利用,但氫化物的數量更為豐富,不僅遠遠的超過,而且隨處都是。因此在這一區(qū)域的微行星以冰為主體,而僅有少量的金屬與巖石在內。在柯伊伯帶和奧爾特云的天體、彗星、海王星巨大的衛(wèi)星——崔頓,或許還有冥王星和他的衛(wèi)星——凱倫,都是'臟雪球'的例子。由于有許多的固體物質可以使用,即使在碰撞較不頻繁和較低的速度下(在更大的軌道),這些微行星依然可以發(fā)展成非常巨大的行星(質量大約是地球的10倍),使得它們的引力足以吸附氨氣和甲烷,甚至是氫氣。一旦開始這樣的程序,它們將迅速的增長,因為在盤中占有98%的氫和氦,會使它們的質量大增,而且引力網也會張得更大。
很快的,類木型的微行星不再像是由冰冷的微行星組成的,由于大量的氫氣和氦氣或多或少的都會使得巨大的氣體云核心密度更為堅實。然后這些類木星型的氣體球,在與太陽系相似的比喻下,逐漸的產生重力塌縮、加熱、提高轉速和趨向扁平。一些類木行星的衛(wèi)星可能也在行星本身類似的機制下形成,在原行星的重力塌縮中,從被濃縮的原行星盤中的塵粒中凝聚而成。這或許可以解釋,在太陽系中,類木行星有如此眾多的衛(wèi)星,和為何自轉得如此快速。當年輕的恒星發(fā)出的強風將剩余的氣體和塵粒從恒星盤吹散進入其外的星際空間時,類木行星的成長就結束了。
以最簡單的說法,在最內側的巨大原行星核形成星盤內密度最高的區(qū)域,并且動態(tài)時間(典型的時標是碰撞)是最短的;因為這個天體位在盤內氣體最密集的區(qū)域,能及早達到捕捉氣體所需要的臨界質量,并且和環(huán)繞的氣體有最長的共生時間。在太陽系內,木星是在凍結線外側最大的原行星核,履行前述的規(guī)則,成為系統(tǒng)內最大的行星。實際上,過程可能很復雜,行星遷移和湍流會使流程混淆,與現(xiàn)今觀察到的系外行星比較,在我們系統(tǒng)內的行星發(fā)展也許,甚至反倒是有些異常的。
最后,在恒星風吹掉盤中的氣體之后,還有大量的原行星和微行星被留下來。在超過一千萬至一億年的周期中,這些原行星,典型的質量界于月球和數個地球之間-會互相攝動,直到軌道相互橫越并發(fā)生碰撞為止。這些天體經由碰撞的結果,最后成為系統(tǒng)內的行星。這種碰撞,相信是原地球和火星大小原行星的碰撞,形成了現(xiàn)在的地球和月球,這種程序是高度隨機的。一個與相似的類地系統(tǒng)的形成,可能很快就會結束。所能產生的內行星也許比在太陽系內觀察到的更少,但也可能更多。
較小的微行星,在數量上也會比較多,在恒星系統(tǒng)內存在的時間也會比較長久。這些天體也許會在' 清除鄰里'的過程中被行星清掃掉,可能會被投擲到外面遙遠的邊緣(在太陽系是奧爾特云),或僅是持續(xù)的輕推進入內側與其他的行星碰撞或相對是穩(wěn)定的軌道。這種連番轟擊的時期可能長達數億年,并且也許會在地質上留下一些可以看見的撞擊坑痕跡。有些論點認為,只要在系統(tǒng)內還有可以利用的小巖石或冰凍的天體,這個階段就還未真正的完成。1994年,舒梅克-李維九號彗星撞擊木星所展示的能量,正好彰顯了小行星或彗星撞擊地球可能的威脅。
在太陽系,歸結于2:1的共振軌道穿越過木星和土星軌道之間,相信更容易上演這種劇情。來自外圍盤面的大量微行星災難性的干擾,這個過程被稱為晚期重轟擊。
星云假說可以有效的解釋太陽系中一些主要的現(xiàn)象:
1.行星和衛(wèi)星的規(guī)則運動(所有的行星都幾乎在同一個平面上,以接近圓形的軌道,以相同的方向繞著太陽公轉,而且所有的自轉也幾乎在同方向。)
2.類地行星和類木行星有明顯的區(qū)別(質量、與太陽的距離、組成、衛(wèi)星和環(huán)系統(tǒng))
3.小天體(小行星和彗星,無論周期的長或短)
4.例外的趨向(類地的衛(wèi)星、轉軸傾角、不同平面的木衛(wèi)、崔頓)
目前星云假說面臨的挑戰(zhàn):
1.柯伊伯帶迷失的質量
2.海衛(wèi)一的捕獲過程
3. 天王星的側身自轉
4.在系外行星發(fā)現(xiàn)的熱木星
5.在聯(lián)星和三合星系統(tǒng)內發(fā)現(xiàn)的系外行星
在行星吸積的過程中,在原行星盤中使用吸積盤這個詞匯會造成混淆。原行星盤有時就是指吸積盤,因為在年輕的金牛T星,原恒星仍然在收縮中,而且氣體物質也許仍繼續(xù)向盤中掉落,在盤面內側邊緣的表面持續(xù)成長。
然而,這個意思不能與行星形成過程的吸積混淆。在上下文中,吸積提到塵粒的冷卻,固化的塵粒和冰環(huán)繞著在原行星盤中的原始太陽,碰撞和結合在一起共同的生長,包含可以量度大小的微行星和高能量的碰撞。
另一方面,木星或許有屬于自己的吸積盤,是詞匯中原本的意義。在云氣中被捕獲的氫和氦氣體收縮、提高轉速、扁平化、和沉積氣體進入每一顆類木原行星的表面;同時,在盤內的固態(tài)塵粒堆積在微行星上,最后會形成木星的衛(wèi)星。