卵石如何形成行星：Pebbles的行星形成过程

静电和尘埃围绕着年轻的恒星旋转，这就是一切的开始。

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行星形成的秘密可能在于普通的静电——这种现象也会让你的头发竖起来，或者在你走过地毯后给你带来电击。

一项发表在 Nature Astronomy上的新研究表明，静电使得原行星盘中的微小尘埃颗粒——围绕年轻恒星形成的旋转气体和尘埃盘——能够聚集成“卵石”，这些“卵石”足够大，可以在行星形成中发挥作用。

上面的图像显示了玄武岩珠，每个珠子测量0.55毫米，用于在亚轨道火箭上进行的实验。

该研究的主要作者，德国杜伊斯堡-埃森大学的天体物理学家 Jens Teiser 说，这些发现有助于解开“反弹屏障”的谜团，这个屏障指的是颗粒必须达到的尺寸阈值，超过这个阈值，它们才能依靠重力与其他颗粒结合。

只有当颗粒大于这个阈值尺寸——大约四分之一英寸，具体取决于条件——它们才能最终结合形成岩石“星子”，这些星子的大小从半英里到100英里不等，科学家认为它们随后会在原行星盘内碰撞，从而形成像地球这样的行星。

Teiser 说，较小的“尘埃颗粒不会粘在一起”，除非它们带有静电荷。

当带有正负电荷不平衡的不同物体接触时会产生静电，从而产生静电荷。 在这种情况下，静电荷是由微小尘埃颗粒之间的碰撞产生的，这可能导致它们获得或失去电子，分别导致负电荷或正电荷。 然后，根据静电定律，带相反电荷的粒子会相互吸引，并且可以聚集在一起以产生更大的带电粒子，Teiser 说。

Teiser 和他的同事在用微小的玄武岩颗粒进行“塔式跌落”实验后怀疑就是这种情况，在实验中，他们观察到这些颗粒在近乎失重的九秒钟内的行为。 但这不足以得出结论，因此在 2022 年，研究人员在从瑞典北部基律纳发射的亚轨道火箭上进行了一项实验，以观察这些颗粒在六分钟失重期间的行为。

在最新研究中描述的 2022 年发射期间，火箭达到了大约 160 英里的高度，并且当火箭的有效载荷落回地球时，失重开始生效。 此时，船上的颗粒储层打开，释放出颗粒。 在某些情况下，储层被摇动以使颗粒带静电荷，但在其他情况下则没有。 只有那些被摇动的颗粒才开始组装成聚集体。 如图所示，最大的簇长度略大于一英寸。 Teiser 说，他的研究团队在火箭上发送了四个版本的实验，每个实验都有不同的起始条件。

研究人员认为，他们的发现表明，原行星盘中的尘埃颗粒需要静电才能使它们具有足够的“粘性”来聚集成可以形成行星的卵石。 他们还能够计算出微小颗粒碰撞时可以达到的最大平均速度，如果它们要形成团块：大约每秒一英尺半。 更高速度的碰撞往往会侵蚀大型星团的表面。

该结果将用于尝试解释像我们这样的巨大行星如何仅由尘埃产生的模型中。

主要图片：杜伊斯堡-埃森大学 (UDE)

发表于 2025 年 3 月 31 日

Tom Metcalfe 是一位驻伦敦的科学记者，他的写作主要涉及太空、能源、考古学、地球和海洋。 他曾为 Scientific American, National Geographic, Live Science, NBC News, BBC News, 等媒体撰稿。