行星形成理论中的气体吸积阶段

1. 背景：行星形成的早期阶段
   在气体吸积阶段之前，行星胚胎已通过星子吸积和寡头生长阶段形成，质量达到约10倍地球质量。这些胚胎嵌入在围绕年轻恒星的原始行星盘（气体和尘埃组成的盘状结构）中。盘内气体占大部分质量（主要是氢和氦），而固体物质（如冰和岩石）仅占约1%。气体吸积阶段的核心目标是解释类木行星（气态巨行星）如何从固态胚胎快速捕获大量气体，形成厚厚的大气层。

2. 气体吸积的触发条件
   当行星胚胎质量达到一个临界值（约10-15倍地球质量）时，其引力足以克服气体热运动和盘内压力，开始有效捕获周围气体。这个临界质量取决于局部温度、气体成分和盘密度：在更冷、更密的区域（如雪线外，水以冰形式存在），临界质量较低，有利于气体吸积启动。胚胎的引力势阱会吸引气体分子，使它们进入稳定轨道并逐渐积累。

3. 第一阶段：慢速吸积
   初始气体吸积速率受行星胚胎的热控制。吸积的气体在胚胎表面释放引力能，产生热量，导致大气层膨胀并达到流体静力学平衡。热量通过辐射散失到太空，而吸积速率受限于辐射效率：如果散热慢，大气层保持高温和蓬松状态，限制进一步气体流入。此阶段可持续数万至数十万年，行星质量缓慢增长至约30-50倍地球质量，形成延伸但未束缚的原始大气。

4. 第二阶段： runaway 快速吸积
   当行星质量超过一个阈值（约50倍地球质量）时，引力势阱深度急剧增加，气体吸积进入失控状态。原因是：大气层质量增长导致引力压缩，使气体密度升高，散热效率下降；热量被 trapped 在大气内部，促使温度上升和压力梯度变陡，从而加速气体流入。吸积速率指数增长，行星在数千年内迅速膨胀，捕获盘内大部分可用气体，最终形成气态巨行星（如木星或土星）。此阶段依赖于盘内气体供应充足，且未被恒星风或光蒸发过早驱散。

5. 气体吸积的终止因素
   气体吸积停止的主要原因是气体盘的消散。年轻恒星的光蒸发（紫外线辐射加热气体）和磁流体动力学效应会逐渐剥离盘物质，通常在数百万年内完成。此外，行星自身打开盘间隙（通过引力扭矩清除轨道附近气体）也会限制吸积。最终，行星达到稳定质量，大气层冷却并收缩，形成分层结构（如金属氢核心和分子氢外层）。观测证据来自系外行星统计，显示气态巨行星多在雪线外形成，且质量分布与盘寿命相关。