行星诞生 图片来源：pixabay
许多好电影是起源故事。当我们知道超级英雄是从哪里来的，那么我们就能理解他们为什么会那样做。行星也是如此，知晓它们是如何形成的是了解它们内部结构、地质和气候的关键。几十年来对陨石和月球岩石的分析使我们对地球的形成了解了很多。我们认为地球成长的最后阶段涉及到巨大的碰撞，而最后一次碰撞旋转出一个由蒸发岩石组成的圆盘，并最终合并成月球。
但对于我们在其他恒星周围发现的数千颗行星呢？它们像地球一样形成的吗？我们似乎没有希望回答这个问题，因为我们无法得到这些行星的岩石以进行分析。但还有另一种很重要的方式给了我们一个难得的机会，使我们能将我们行星的起源故事与那些岩石系外行星进行比较。
在最近发表在《自然天文学》（Nature Astronomy）杂志上的一项研究中，我们以TRAPPIST-1系统为例展现了如何利用系外行星系统的轨道结构来探究行星的形成过程。这个系统是非常具有代表性的系外行星系统：它包含7颗已知的行星，每一颗都与地球的大小相近，其中的3颗从它们的小红矮星接收到的能量与地球从太阳接收到的能量相当。
在我们的分析中，一个关键特征是TRAPPIST-1系统的轨道共振。也就是在特定数量的轨道之后，每一对相邻的行星会重新排列。例如，在被称为g和h的外层行星对中，轨道对齐每隔3个g行星轨道和2个h行星轨道重复一次，那这就是3:2的共振。每个相邻的对有相似的共振。所有七颗行星一起参与了这个“轨道舞蹈”，形成了一个共振链。
在彩弹射击游戏中，玩家每次被击中都会在身上留下一团颜料，所以你一眼就能看出玩家被击中的频率。同样，行星和卫星的表面保留着撞击的痕迹。当一个来自太空的物体坠落时，它会爆炸并留下一个陨石坑。你可以用肉眼看到月球上最大的环形山，第谷（Tycho）便是最引人注目的环形山之一。
我们想弄清楚有多少太空垃圾（也就是其余的小行星和彗星）可以撞击TRAPPIST-1系统的行星。我们研究的一个关键部分是准确计算出这个行星系统的轨道共振有多脆弱。事实证明，共振非常容易被打破。当一颗小行星或彗星与一颗行星相撞，甚至仅仅是擦肩而过时，行星的轨道就会发生一点变化。如果把这些变化中的一些加起来，邻近行星的轨道就会分散到足以失去它们的共振的距离。从那一刻起，他们就再也无法重新调整。
流氓行星撞击对TRAPPIST-1系统的影响。图片来自于文章：An upper limit on late accretion and water delivery in the TRAPPIST-1 exoplanet system
通过轨道模拟，我们确定了如果系统的共振丢失，每个TRAPPIST-1行星将会与多少太空垃圾相撞。当然，TRAPPIST-1的共振并没有消失，自行星形成以来它们已经存在了数十亿年，所以我们现在才能观测到它们。目前TRAPPIST-1中的行星就像穿着一身几乎干净的衣服的彩弹射击游戏玩家。而我们的模拟向我们展示了“最坏的情况”。并且数据表明，自TRAPPIST-1行星形成以来，能够影响任何一颗行星的物质的最大质量从宇宙的角度来看非常微不足道——不到地球质量的1%。再多一点就会永远地扰乱我们今天看到的共振系统。
由于撞击很少，TRAPPIST-1系统中行星的形成速度肯定比地球快得多。因为成长中的行星的轨道通过与气态行星形成盘的相互作用而慢慢缩小，所以像TRAPPIST-1这样的共振是通过轨道迁移形成的。一旦气态行星形成盘消失，共振便被打破，且不能重新形成。因此TRAPPIST-1系统一定是在其星盘短暂的几百万年的生命周期内完全形成的。并在随后的数十亿年里，最多只遭受过一次微小的撞击。
TRAPPIST-1系统中行星形成晚期的水输送。图片来自于文章：An upper limit on late accretion and water delivery in the TRAPPIST-1 exoplanet system
相反，对地球和月球岩石的分析表明，形成月球的行星级碰撞发生在太阳系开始形成的1亿年后。TRAPPIST-1中的行星很可能经历过如此巨大的碰撞，但只是在它们历史的非常早期，即共振链形成之前。与地球相比，我们还没有完全了解这些不同的形成路径如何影响TRAPPIST-1行星的内部演化、地质和气候，但这是一个活跃的研究领域。例如，它们的快速形成可能会大大增加储存在行星内部岩石中的水量，但会减少作为地表海洋保留的水量。
我们的研究与什么物体才能被称为“行星”的争议水域接壤。根据国际天文学联合会（the International Astronomical Union）的定义，冥王星之所以被降级为“矮行星”，是因为它没有清除其轨道周围的太空垃圾。冥王星在含有很多富含冰的彗星状物体柯伊伯带（Kuiper belt）内运行。我们的模拟表明TRAPPIST-1系统中不会存在大量的太空垃圾。因此，这七个天体都应该被称为行星。
目前，我们只能将我们的新技术应用于其他少数系统，也就是共振链与近乎干净的彩弹球衣的分析方法。但从轨道的角度来看，这些都是我们所知道的最有趣的系统，因为有理论提出几乎所有的行星系统都花费时间形成一个共振链（虽然只有很少的共振链存留下来）。了解这些系统中行星的撞击历史是讲述其他世界起源故事的第一步。
撰文：Sean Raymond，在法国波尔多天体物理实验室工作的美国天体物理学家。他在科幻小说界面（planetplanet.net）上写博客，最近还出版了一本天文学诗集。
翻译：马孔硕
审校：张欣怡
引进来源：科学美国人
本文来自：中国数字科技馆
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