行星形成理论中的星云盘演化阶段

1. 初始条件：恒星诞生与残骸盘的形成

   • 我们的太阳系起源于一片巨大的、缓慢旋转的星际分子云，其主要成分是气体（主要是氢和氦）和微小的尘埃颗粒（硅酸盐、碳质物、水冰等）。
   • 在某个外部扰动（如附近超新星爆发的激波）作用下，这片分子云在自身引力作用下开始坍缩。
   • 随着坍缩进行，云团中心密度和温度急剧升高，形成了原太阳。由于角动量守恒，云团的旋转速度加快，使得无法直接落入中心的物质在赤道面周围摊平，形成一个围绕原太阳的、由气体和尘埃组成的巨大旋转盘状结构。这个盘就是“原行星盘”，也称为“星云盘”。这是行星形成的“原料工厂”。

2. 尘埃颗粒的生长：从微米到千米

   • 在星云盘初期，尘埃颗粒非常微小（微米量级）。它们通过范德华力等弱相互作用发生碰撞，并开始粘附在一起，形成较大的“尘埃团”。这个过程被称为“凝结吸积”。
   • 随着颗粒增大到厘米至米级，它们开始在气体盘中沉降，并向盘的中平面聚集。在这个尺度上，颗粒之间的碰撞可能既有合并也有破碎，但总体上净增长是可能的。
   • 当物体增长到公里尺度时，它们被称为“星子”。此时，它们的引力已经足够显著，开始通过引力相互吸引，加速生长。这个从尘埃到星子的过程，是行星构建最关键的步骤之一，但其具体机制（特别是如何跳过米级障碍——即米级物体因气体阻力而快速坠向恒星）仍是活跃的研究领域。

3. 星云盘的物理结构与演化

   • 温度梯度：盘内的温度随着与中心恒星距离的增加而降低。靠近恒星的地方，温度很高，只有耐高温的硅酸盐和金属颗粒能够以固态存在；而在距离较远的“雪线”之外，温度足够低，水、甲烷、氨等挥发性物质能够凝结成冰。冰的存在大大增加了可用的固体材料，使得雪线之外能更快地形成更大的星子核心。
   • 气体耗散：星云盘中的气体并不会永远存在。年轻的恒星会发出强烈的辐射并产生恒星风，这些都会逐渐吹走盘中的气体。同时，气体自身也会通过吸积到恒星上等方式消耗。气体的存在时间（通常为数百万年至一千万年）决定了巨行星能够通过引力捕获大量气体大气层的时间窗口。

4. 行星胚胎的形成与寡头生长

   • 在星子形成后，最大的星子由于其更强的引力，会以更快的速度吸积周围较小的星子和物质，迅速增长。
   • 在局部区域内，一个或少数几个最大的星子会脱颖而出，清除其轨道附近的绝大部分物质，成长为“行星胚胎”。这些行星胚胎的质量可达月球或火星大小。这个阶段被称为“寡头生长”阶段，其特征是少数大型天体主导了吸积过程。

5. 巨行星的形成与盘的整体消散

   • 类地行星：在雪线内侧，由于缺乏冰物质，行星胚胎主要由岩石和金属构成。它们之间后续会发生剧烈的碰撞和合并，最终形成水星、金星、地球和火星这类岩石行星。
   • 气态巨行星：在雪线之外，行星胚胎（核心）首先快速生长到足够大的质量（约10倍地球质量）。一旦核心质量达到临界点，其强大的引力开始能够迅速捕获并束缚住星云盘中巨量的氢和氦气体，从而在相对较短的时间内（必须在气体盘消散之前）膨胀成木星和土星这样的气态巨行星。
   • 冰巨行星：像天王星和海王星，可能也形成了较大的冰/岩石核心，但可能因为形成位置离太阳较远、物质密度较低，或者形成时间较晚，未能捕获到像木星那样多的气体，或者其原始的气体包层后来被光致蒸发等过程剥离了一部分。
   • 最终，剩余的气体被恒星风和辐射驱散，剩余的星子和行星胚胎通过碰撞和引力散射形成最终的行星系统架构，星云盘演化阶段宣告结束。