行星形成理论中的碰撞级联阶段

1. 我们先从行星形成的宏观背景开始。目前最被广泛接受的理论是“星云假说”，认为太阳系诞生于一片巨大的、旋转的气体和尘埃云（太阳星云）。随着星云中心形成太阳，外围物质冷却并逐渐凝聚。在之前讨论过的“星子吸积阶段”，微米级的尘埃颗粒通过静电力、范德瓦尔斯力等结合，形成千米级的固态天体，称为“星子”。星子是行星的“胚胎”或“基石”。

2. 当大量星子形成后，它们之间并不是和平共处的。在引力的主导下，星子会相互靠近、发生碰撞。最初，这些碰撞可能相对“温和”，导致两个星子粘合在一起，质量增大。这个过程就是“寡头生长阶段”，其中少数较大的星子（寡头）会迅速吸积周围更小的星子，增长得更快，形成行星胚胎（如月球到火星大小的天体）。

3. 然而，随着行星胚胎质量的增长，其引力场越来越强，它能影响的区域（希尔球）也越来越大。当两个行星胚胎的轨道足够接近时，它们之间的引力相互作用会变得非常剧烈，导致轨道变得不稳定。这时的碰撞不再是温和的粘合，而是可能以极高的相对速度（数公里每秒）发生剧烈撞击。这个阶段就进入了 “碰撞级联阶段”。

4. 碰撞级联阶段的核心特征在于“级联”二字。它描述的是一个由剧烈撞击主导的、连锁反应式的演化过程。一个关键的大碰撞事件，不仅直接影响碰撞双方，其产生的碎片（从巨石大小到尘埃颗粒）会形成大量的“弹片”，这些弹片本身又具有很高的动能，会继续撞击区域内的其他星子或行星胚胎，引发更多的次级碰撞。

5. 这些碰撞的结果是多样且极端的：

   • 生长与合并：如果相对速度适中，且碰撞角度合适，两个天体可能合并成一个更大的天体，这是类地行星（水星、金星、地球、火星）最终形成的主要机制。
   • 撞击剥离与碎裂：高速或掠射角碰撞可能导致天体的部分地幔或地壳物质被剥离（撞击剥离机制），或者直接将较小的天体完全击碎。地球-忒伊亚碰撞形成月球的理论，就是此阶段一个极端的例子。
   • 产生碎片盘：频繁的碰撞会产生海量的碎片，在年轻恒星周围形成一个由尘埃和碎石组成的“碎片盘”。我们观测到的许多年轻恒星周围的尘埃盘，正是其行星系统处于激烈碰撞级联阶段的标志。

6. 碰撞级联阶段对整个行星系统的塑造是根本性的：

   • 决定最终格局：它决定了哪些行星胚胎能幸存并增长为成熟行星，哪些会被摧毁或合并。
   • 影响内部结构：剧烈的撞击会导致天体局部甚至全球熔化，影响其核、幔、壳的分异过程，并重塑其表面。地球上的地壳构造、月球的形成都与此紧密相关。
   • 清除轨道碎片：在类地行星区域，碰撞级联和行星的引力扫掠最终会清除掉大部分剩余的小星子和碎片，使轨道变得“干净”。而在小行星带和柯伊伯带，由于木星等巨行星引力的扰动，阻止了碎片聚合成大行星，碰撞级联至今仍在以较低的速度持续，产生着我们观察到的小行星家族和柯伊伯带天体家族。

7. 总结来说，行星形成理论中的碰撞级联阶段是继相对有序的星子吸积和寡头生长之后，一个由高速、剧烈碰撞主导的混沌且关键的时期。它如同一场“行星级的终极淘汰赛”，通过一系列连锁的撞击事件，最终雕刻出了我们太阳系中行星的大小、轨道、内部结构和卫星系统的基本面貌。