行星形成理论中的分形聚集模型

1. 我们从一个基本概念开始：在行星形成的早期，宇宙空间中并不是均匀的气体和尘埃，而是存在着从微观尘埃颗粒到宏观星子之间，跨度巨大的物质尺寸谱。传统的“星子吸积模型”假设了毫米到厘米大小的颗粒通过碰撞粘附，逐渐生长成公里级的星子，但这一过程在米级尺度上存在一个被称为“米级障碍”的理论难题：米大小的物体在气体盘中最容易因气体阻力而迅速坠向恒星，来不及生长。

2. 为了解决上述生长障碍，科学家提出了“分形聚集模型”。这里的“分形”是一个数学概念，指一个物体其局部结构与整体结构相似，具有自相似性。比如雪花、海岸线。在天文语境下，它描述的是尘埃颗粒在最初聚集时，并非紧密堆积成一个实心球，而是通过极其松散、多孔的结构连接在一起，形成一个蓬松的、像絮状物一样的团块。

3. 这种蓬松的分形团块是如何形成的呢？关键在于初始尘埃颗粒之间的作用力。在星际分子云和原行星盘的低温、低压环境中，覆盖着冰层的硅酸盐尘埃颗粒表面可能带有静电力、范德瓦尔斯力等。当这些微米级的颗粒低速碰撞时（速度低于每秒几米），它们不会撞碎，而是像蓬松的棉花糖一样粘附在一起，形成分支状、空隙率极高的结构。每一次碰撞和粘附，都让团块在质量增长的同时，密度增长得非常缓慢。

4. 由于分形团块极其蓬松（空隙率可能超过90%），它们与气体的耦合性极好，几乎像气体一样被气体盘中的湍流所裹挟。这带来了两个关键优势：第一，它们不会像致密的米级石块那样快速向恒星沉降；第二，湍流可以将这些蓬松团块集中到特定的高压区域，极大地增加它们之间的碰撞频率，从而加速聚集生长。

5. 分形生长不能无限持续下去。当这些蓬松团块生长到大约厘米到分米尺寸时，它们内部的连接强度可能不足以承受碰撞带来的冲击，或者由于自身重力开始增强，会经历一个“压实”过程。碰撞或自重力会导致它们内部的空隙坍塌，结构变得更加致密，从而从分形、蓬松的“尘絮”转变为更坚实的“鹅卵石”状物体。这些“鹅卵石”已经是后续通过引力相互吸引、形成星子的理想起点。

6. 因此，分形聚集模型是行星形成理论中，连接微观尘埃（微米级）与宏观星子（公里级）之间“缺失环节”的一个重要假说。它绕过了“米级障碍”，提供了一条通过蓬松聚集快速形成较大尺寸颗粒的有效途径，是理解行星初始种子（星子）如何诞生的关键一环。该模型目前主要通过实验室模拟、理论计算和数值模拟进行研究，是行星形成研究的前沿领域之一。