核盘模型

核盘模型是星云理论的现代变体，尤其侧重于行星系统的形成，例如太阳系。在太阳星云盘模型（SNDM）的基础上，核盘模型融入了核过程在行星形成中的作用。

在此模型中，行星系统的形成被理解为发生在一个围绕年轻恒星旋转的气体和尘埃盘中，这与SNDM相似。然而，核盘模型强调了核反应的重要性，特别是在恒星核心内部，这些反应塑造了原行星盘的组成和演化。

伊曼努尔·康德和皮埃尔·拉普拉斯最初的星云假说为理解太阳系的形成提供了一个框架，他们认为太阳系起源于一个旋转的气体和尘埃云。核盘模型通过考虑恒星核心中的核聚变过程如何为原行星盘提供重元素来扩展这一概念。

星云理论认为，恒星起源于巨大的分子氢云，称为巨分子云（GMC）。这些高密度云团会经历引力不稳定性，导致物质聚集成更小、更致密的团块。这些团块然后开始旋转，并向内坍缩形成恒星。在这个过程中，围绕新生恒星形成了一个气态的原行星盘，通常称为原行星盘（proplyd）。虽然这些盘中行星形成的精确机制尚不清楚，但人们认为在特定条件下，行星可以由此产生。因此，行星系统的形成被理解为恒星形成过程的自然结果。一颗类日恒星通常需要大约100万年才能完全形成，之后原行星盘在1000万到1亿年内逐渐演化成一个行星系统。

历史

现代、广泛接受的行星形成理论，即太阳星云盘模型（SNDM），归功于苏联天文学家维克多·萨夫罗诺夫。他开创性的工作，特别是他1969年的著作《原行星云的演化和地球与行星的形成》，为SNDM奠定了基础。萨夫罗诺夫的观点在塑造科学家对行星形成的理解方面发挥了重要作用。萨夫罗诺夫的观点后来被乔治·韦瑟里尔等科学家进一步发展，他做出了诸如发现失控吸积等贡献。最初应用于太阳系，SNDM后来被理论化应用于宇宙中所有行星的形成过程。最初为我们的太阳系设计的太阳星云盘模型（SNDM）现在被认为适用于整个宇宙。截至2024年3月1日，天文学家已在我们银河系中发现了5,640颗系外行星，这证实了该模型在理解行星形成方面的普遍性。

核盘模型：成就与问题

成就

太阳星云盘模型（SNDM）取得了许多成就，包括详细观测到环绕年轻恒星的尘埃盘。这些盘在恒星形成过程中形成，在年轻恒星天体周围普遍存在，几乎所有恒星在100万岁时都有它们。观测和理论研究揭示了这些盘中尘埃颗粒的生长，在短时间内形成厘米级的颗粒。

此外，我们对吸积过程的理解得到了显著进步，即小行星体如何演变成高达1000公里的大型天体。这种现象发生在星体密度足够高的致密盘中，并经历了失控吸积和寡头吸积阶段。通过模拟，已证明原行星盘内部区域行星胚胎的合并产生了类地大小的物体，有助于解决类地行星起源的难题。

问题

吸积盘的物理学带来了一些挑战。一个重大问题是原恒星吸积的物质如何散失其角动量。哈内斯·阿尔芬提出的一个可能的解释是，角动量在T Tauri星阶段被太阳风耗散，然后通过盘中的粘性应力向外传输。然而，产生这种湍流的确切机制仍然知之甚少。另一个过程是磁制动，它涉及通过恒星的磁场将恒星的自转传递给盘。

星体（planetesimals）的形成是星云盘模型中一个主要的未解之谜。从厘米级颗粒到公里级星体的过渡仍然是个谜，这对于理解为什么有些恒星拥有行星而有些则没有至关重要。

巨型行星形成的持续时间也是一个重大挑战。先前的理论很难解释它们的核如何能够足够快地形成，从而从快速消散的原行星盘中积累大量的气体。然而，最近的进展促使我们开发出能够在约400万年或更短时间内形成木星大小行星的模型，这处于气体盘的平均寿命之内。

此外，巨型行星的轨道迁移也可能是一个问题。一些计算表明，与盘的相互作用可能导致快速的向内迁移，可能导致行星最终成为中央区域的一个亚木星体。然而，最近的研究表明，迁移过程中的盘演化可能缓解了这个问题。

恒星和原行星盘的形成

原恒星

恒星形成于巨大的冷分子氢云中，称为巨分子云，其质量约为太阳的30万倍，直径为20秒差距。数百万年来，这些云团坍缩并分裂成小而致密的核心，称为原恒星星云，质量从太阳的几分之一到几倍不等。原恒星星云的初始坍缩需要大约10万年，在此期间，一个高温的静力学核心形成未来恒星的种子。随着坍缩的继续，流入包层的旋转速度加快，形成一个吸积到核心的盘，逐渐将其长成一个年轻的原恒星。这些原恒星被流入的物质严重遮挡，被观测为发光凝聚体，主要发射毫米波辐射。坍缩通常伴随着沿着盘旋转轴的双极流或喷流。随着物质继续流入盘，包层变得透明，年轻恒星天体变得可观测，最初在远红外线中，随后在可见光谱中。最终，包层消散，原恒星变成一个经典的T Tauri星，其特征是盘的质量约为其质量的1-3%，吸积速率为每年10^-7到10^-9个太阳质量。这个阶段持续约1000万年，然后盘消失，导致恒星在数亿年内演化成类日恒星。

原行星盘

在特定条件下，原行星盘可以产生行星系统，这种行星系统在年轻星团的大部分恒星周围都有观测到。这些盘最初会喂养中央的原恒星，内部温度超过400 K，距离小于5 AU。随着恒星的演化，盘变得更薄、更冷，促进了包括尘埃颗粒在内的挥发性较低物质的凝结。这些颗粒聚集并凝聚，最终形成直径1公里或更大的星体，它们是行星的构件。星体的形成仍然是一个未解决的问题，提出的机制包括引力不稳定性、流不稳定性。行星形成也可以通过盘碎片化发生，特别是在大质量盘中，导致快速形成气态巨行星。原行星盘的最终消散可能由各种机制触发，导致行星系统的形成、残余尘埃盘的形成，或者如果星体未能形成则什么也不留下。幸存的星体为小行星、彗星和陨石的形成做出了贡献，为理解太阳系的形成提供了宝贵的见解。

行星的形成

岩石行星

根据太阳星云盘模型，岩石行星形成于原行星盘的内部区域，超出霜线，那里的水冰无法凝结。最初，直径约1公里的岩石星体形成并经历失控吸积，在1万到10万年间，较大的天体以牺牲较小的天体为代价增长。当最大的天体直径达到约1000公里时，这一阶段结束。随后是寡头吸积，少数几百个寡头主导并缓慢吸积星体，直到盘被耗尽。这一阶段的结果是，大约100个大小从月球到火星的行星胚胎均匀分布在盘的间隙中。在合并阶段，混乱的轨道导致胚胎之间的碰撞，在1000万到1亿年间形成有限数量的类地大小天体。平均而言，会出现2到5个幸存的行星，例如太阳系中的地球和金星。这些行星稳定在轨道上，有助于行星系统中观察到的典型紧凑性。

巨型行星

巨型行星的形成是行星科学中的一大挑战，提出了两种主要理论：盘不稳定性（disk instability）和核吸积（core accretion）。在核吸积中，巨型行星分两个阶段发展：首先形成约10个地球质量的核心，然后吸积原行星盘中的气体。这个过程也可能产生褐矮星。一旦核心达到足够的质量，通常是5-10个地球质量，它们就开始从周围的盘中收集气体。这个气体吸积过程随着盘的消散而逐渐停止。巨型行星的存在会显著影响类地行星的形成，影响它们的轨道，并导致更少、质量更大的类地行星在更靠近恒星的地方形成。行星系统的相邻区域可能会出现胚胎的偏心率增加，可能导致行星被弹出，并形成类似于太阳系中小行星带的结构。

系外行星

在过去二十年里，已经探测到数千颗系外行星，在我们的可观测宇宙中可能还有数十亿颗尚未发现。这些系外行星表现出多样化的轨道和特征，包括热木星、暖木星、超级地球和紧密排列的内行星系统。

热木星和暖木星很可能在形成后通过各种机制迁移到它们目前的轨道，例如I型或II型迁移、引力散射或与大质量伴星的相互作用。一些木星大小的行星显示出偏心的轨道，这表明存在引力相互作用或在共振状态下的迁移。

超级地球可能在原地形成，或者从它们最初的位置向内迁移。原地形成需要一个大质量的盘，而迁移则可能通过I型迁移或共振轨道发生。木星的形成可能阻止了这类行星在太阳系中的向内迁移。

原地超级地球的气体吸积取决于行星合并的时间与气体盘消散的时间。如果合并发生得太早，可能会发生失控的气体吸积，导致形成气态巨行星；而合并延迟则可能导致形成类地行星或带有气体包层的超级地球。

结论

总之，核盘模型代表了对星云理论的现代改进，侧重于核过程在行星形成中的作用。它在太阳星云盘模型（SNDM）的基础上，纳入了恒星核心的核反应对原行星盘的组成和演化的影响。虽然SNDM为理解行星形成奠定了基础，但核盘模型通过考虑核聚变如何为原行星盘提供重元素来扩展了这种理解。该模型为理解行星形成过程的复杂性提供了宝贵的见解，并有助于解决吸积盘物理学、星体形成和巨型行星形成等领域的悬而未决的挑战。通过持续的研究和进步，核盘模型继续为我们理解宇宙中观察到的各种各样的行星系统做出贡献。