现代天体物理学解答了牛顿力学遗留下来的问题

整个科学史上最伟大的飞跃或许发生在 17 世纪。在 17 世纪初，日心说只是一种替代思想：它比主导了 1000 多年的地心说更不符合数据。我们现在所知的经典力学，即地球上物体运动的规律，在很大程度上是未知的，引力现象也未被理解。望远镜尚未发明，肉眼观察仍然是人类探索宇宙的最佳工具。

到本世纪末，一切都不同了。人们终于知道行星绕太阳运行的轨道是椭圆形的，外行星的运行速度与它们与太阳的距离成正比。行星有自己的卫星系统，土星有光环，金星有相位，运动和引力定律被证明适用于地球上和天空中所有已知的物体。这最终导致了艾萨克·牛顿的发现，他发明了微积分，编纂了运动定律，并发展了万有引力定律。然而，牛顿也遇到了他无法解决的问题，他的一句名言是：

“引力解释了行星的运动，但它无法解释是谁使行星运动的。”

如今到了 21 世纪，现代天体物理学终于找到了答案。毕竟，行星运动的最初动力不是“谁”，而是“什么”。

16 世纪最大的谜团之一是行星如何以逆行的方式运动。这可以通过托勒密的地心说（左）或哥白尼的日心说（右）来解释。然而，没有人能够将细节精确到任意的程度。直到开普勒提出日心说、椭圆轨道的概念，以及牛顿随后提出的引力机制，日心说才在科学标准上取得胜利。

当我们今天观察太阳系的结构时，我们对它的了解比牛顿那个时代的了解要多得多。是的，太阳是太阳系的支柱，但与牛顿不同，我们知道太阳占太阳系总质量的 99.8%。它绕轴旋转，但赤道和两极的旋转速度不同：赤道为 25 天，而两极为 33 天（甚至更多）。然后，向外移动，我们看到我们的太阳系拥有：

· 四颗内层岩石行星，

· 小行星带，

· 气态巨行星，

· 柯伊伯带，大多数周期彗星都来自这里，

· 在其外还有散射盘和奥尔特云，大多数双曲线彗星都是从那里诞生的。

牛顿引力足以解释所有这些物体的运动，只需进行非常轻微的修正（由于广义相对论）即可描述内部岩石行星的进动运动。在牛顿时代，人们只知道六颗行星（没有小行星，还有一两颗疑似周期彗星）。但今天，我们不仅对自己的太阳系有了更多的了解，还知道了数千颗周围有行星系统的其他恒星：系外行星。

动画显示了四颗超级木星行星在恒星 HR 8799 周围轨道上的直接成像，其光线被日冕仪遮挡。这里显示的四颗系外行星是最容易直接成像的行星之一，因为它们体积大、亮度高，而且与母星的距离很远。我们直接拍摄系外行星的能力仅限于距离明亮恒星很远的巨型系外行星，但日冕仪技术的改进将极大地改变这种情况。

这些系外行星系统与我们自己的太阳系有一些相似之处，但也有一些重要的区别。这些系统似乎也都遵循牛顿万有引力定律，其中的行星沿着由其母恒星引力决定的椭圆轨道运行。行星的质量各不相同，但与我们自己的太阳系不同，岩石行星和巨行星的位置没有界限：它们位于距离其所绕行恒星的任何距离，无论近或远。此外，迄今为止所知的最常见的系外行星类型——介于地球和海王星质量之间的行星——在我们的太阳系中根本找不到。

然而，我们太阳系的一个重要限制是它已经很老了；自形成以来已经过去了大约 45 亿年。我们对它过去的历史知之甚少，因为我们所能获得的只是写在幸存者身上的证据。有多少行星和/或卫星：

· 因碰撞而毁坏，

· 被其他行星或太阳吞噬，

· 或者被完全驱逐出太阳系，

在其整个生命周期中，土星环会经历哪些变化？我们无法肯定地说，但从各种行星和月球表面陨石坑的形成率，到火星、地球和冥王星周围卫星的存在，再到土星环的短暂寿命，大量的证据表明，答案很可能是“至少有几个”，甚至更多。

在一个由单个原恒星主导的系统中，主要区域将由多条线定义，包括每个特定分子种类的烟灰线和霜线。虽然盘中不断增长的缺陷（在超过一定质量阈值时会累积大量气体包层）可能很好地描述了我们太阳系和许多其他行星的形成，但它们无法解释在太阳与海王星距离之外发现的巨行星。

幸运的是，我们如今正处于见证年轻甚至新生恒星和行星系统形成的时代，并从中吸取了各种教训。首先，几乎每个新生恒星系统（包括原恒星系统）都没有球形物质云，而是呈现出一种称为原行星盘的盘状结构。其次，这些原行星盘仅在系统历史的前 100 万至 200 万年内保持未分化状态（即均匀，其中没有间隙或特征），然后特征开始出现在 200 万至 1000 万年前的系统中，然后在 1000 多万年后似乎成为“成熟”特征。

这意味着行星在恒星和行星系统的历史中形成得相对较早，但极端剧烈的事件会持续更长时间。富含尘埃的特征，例如恒星周围的碎屑盘，可以持续几亿年；对于年轻的恒星系统来说，4 亿至 7 亿年可能是典型的。我们估计，这与这些系统中年轻行星遭受猛烈轰击和频繁撞击和碰撞的时期有关，这与在我们自己的太阳系中月球、水星、火星和其他星球上观测到的陨石坑率一致。由于这些以及行星科学和行星天文学的许多其他进步，我们现在比以往任何时候都更接近行星系统形成的完整图景。

这张双色图像显示了年轻恒星 FU Orionis 周围的原行星盘，哈勃太空望远镜曾多次拍摄该图像，但间隔多年。行星盘已经发生变化，表明它正在进入更高级的演化阶段，因为行星形成，形成和生长行星的物质蒸发、升华，并以其他方式被吹走。行星和中心恒星都有望以相同的方向运行和旋转；只有碰撞和相互作用才能改变这一情况。我们自己的太阳系可能与这里所示的原行星系统有着类似的历史。

谁（或什么）使行星运转起来？

为了了解整个故事，我们必须从头开始。尽管行星直到其母星在其核心点燃核聚变约 200 万年后才开始形成，但行星运动的故事早在那之前就开始了：早在它们最终将绕其运行的恒星开始形成的时候。我们首先要看的是恒星是如何形成的：从气体分子云的坍缩开始。这些气体云必须做两件事才能坍缩并形成恒星：

· 它们必须积累足够的质量，通常是数十万个太阳质量，有时甚至更多，才能在自身质量的影响下发生引力坍缩，

· 并且它们必须充分冷却，将热量散发出去，否则这些热效应产生的压力将阻止引力坍缩。

一旦实现了这两个关键条件，恒星形成的初始气体云就会开始坍缩。而且，当这种坍缩发生时，它不会整体发生，也不会变成一个大团。相反，这团气体云中有些区域的密度恰好比其他区域略大，这些区域是物质收缩的成核点。因此，当气体云坍缩时，它们开始碎裂，恒星主要在碎裂点内形成，这些碎裂点在最短的时间内收集了最多的质量。

ALMA 发现的原恒星团 G333.23–0.06 的致密核心有力地证明了这些核心内部存在大量多重性。双星核心很常见，形成四元系统的多个双星群也很常见。内部还发现了三重态和五重态系统，而对于这些高质量团块，单重态恒星却非常罕见。预计整个宇宙中星云中形成的恒星（包括鹰状星云）都具有类似的团块特性。

或许出乎意料的是，通过研究这些碎裂点，我们了解到“单重”恒星系统（如我们自己的太阳系）只是众多选择之一。尽管大约一半的恒星最终成为单重系统，但形成的所有恒星中有整整一半最终成为多恒星系统的组成部分：双星、三星、四星，甚至更高多重性的恒星系统。大约 35% 的恒星在双星系统中，另外约 10% 在三星系统中，约 4-5% 在四星或更丰富的系统中。

此外，这些恒星形成区域通常会在相对较短的时间内形成数千颗恒星：在短短几千万年的时间里。我们发现的最常见的新生恒星类型出现在所谓的疏散星团中：当气体云在银河系平面内坍缩时形成的星团。这些星团通常会持续几亿年，直到相互的引力相互作用导致它们分离，并导致恒星和恒星系统散布在整个星系中。虽然这是这些新形成的恒星（包括具有行星系统的恒星）的最终命运，但它对这些恒星（以及最终将成为行星的物质）首次形成时的物理情况具有重要意义。

詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 拍摄的原行星盘（或称 prolyd，猎户座 294-606）的这张照片不仅展示了 JWST 在成像此类物体方面有多么出色，而且还展示了恒星系统之间的距离有多远，即使在它们形成的恒星形成区域也是如此。这个新形成的物体是由气体云坍缩而形成的，有朝一日会变成恒星，但目前还不是恒星。

当两团质量巨大的物质彼此靠近时，尤其是当这些物质团块相对于彼此运动时，它们不仅会相互施加力，尽管牛顿万有引力定律要求它们这样做。此外，一个巨大的物质团块距离另一个物质团块的“近部分”受到的引力要大于物质团块中心的平均引力，而该巨大物质团块的“远部分”受到的引力要小于平均引力。此外，物质团块的“上部”和“下部”将被拉向中心，物质团块的“左部”和“右部”也将被拉向中心。

如下图所示，这些差分力就是所谓的潮汐力：作用于物体整体的力是不均匀的。根据牛顿第三定律（该定律指出每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力），任何两个质量较大的物体在近距离接触时，不仅会相互施加力，还会施加扭矩，这会给每个物体施加一个称为角动量的量。角动量是使物体绕轴旋转的原因，也是物体相互绕转的原因。由于这些潮汐引起的扭矩，所有新生的恒星系统都具有不可忽略的角动量。

当两个有限大小的物体相互吸引时，物体不同部位的引力与平均值不同。这种效应导致我们看到和感受到潮汐力，这种力在短距离内会变得非常大。木星的卫星木卫一体积很大，但距离太阳系中质量最大的行星木星非常近，它受到太阳系中最大的潮汐力：比地球受到月球和太阳共同作用的潮汐力强 10,000 倍左右。

角动量的临界效应

现在，让我们在恒星和行星形成的背景下把这些成分放在一起。我们将从一团正在坍缩的物质开始，这团物质——由于作用于它的潮汐力以及形成团块的初始质量分布——在三维空间中都是不对称的，其中一个轴最长，一个轴最短，并且将拥有非零的角动量。

然后，当引力导致这团物质坍缩时，一个轴（通常是最初最短的轴）将不可避免地首先坍缩，从而导致一种物理现象——不，这不是我编的——被称为“薄饼化”。因为构成恒星系统的物质是由普通物质（即质子、中子和电子）构成的，所以首先坍缩的轴会导致两侧的物质“飞溅”在一起，形成一个圆盘，而其他两个轴仍然相对较长。

现在，在角动量的作用下折叠，并且该圆盘也必须不可避免地旋转，从而形成具有以下配置：

· 中心团块，

· 由原行星物质盘绕，

这是几乎所有观测到的原恒星系统的标志。

高角分辨率项目：DSHARP 的盘状子结构测量了围绕年轻幼年恒星的 20 个原行星盘样本。这些观测告诉我们，原行星盘主要形成于一个平面，并且倾向于支持行星形成的核心吸积情景。盘状结构在红外和毫米/亚毫米波长下都可见。我们最近了解到，原行星盘在约 0.5 至 2 百万年后开始形成空隙，较年轻的盘状结构没有这种子结构。这些盘状结构往往会在约 1000 万年后消失并让位于碎片盘系统。

此时，一系列关键事件开始展开。假设只有一个中心质量团块（尽管可以有多个），它会将越来越多的物质吸入其中，使核心温度越来越高，同时使热量越来越难以逸出。与此同时，物质盘（既可以称为恒星盘也可以称为原行星盘，因为它既围绕着原恒星，又是即将出现的行星的前身）仍保持未分化和均匀的状态，尽管它继续围绕中心原恒星旋转。

最后，跨过了一个关键的门槛：原恒星核心内部的温度超过约 400 万 K 大关，恒星核心内部开始发生核聚变反应。这会导致向外推的辐射，从内到外加热外部物质。原行星盘中的早期不稳定性最初通过随机碰撞消除，但随着时间的推移，团块开始生长并持续存在，在这些盘上刻画出螺旋形状和间隙等特征，这正是我们预计在第一颗大质量原行星形成时会形成的特征。这些初始时刻可能会在数百万年甚至数十亿年后形成极其丰富的行星系统，包括最终看起来与我们今天所熟悉的行星系统截然不同的系统。

各种各样的望远镜都从地面和太空中以各种波长观测过北落师门系统。到目前为止，只有 JWST 能够分辨出北落师门系统中存在的尘埃碎片的内部区域。赫歇尔、哈勃和 ALMA 的数据都指向一个内部圆盘和外部带的图像，而 JWST 的功能揭示了两者之间的“中间”带。与只有小行星带和柯伊伯带的太阳系不同，这一发现完全出乎意料。

但这就是牛顿大问题的答案！他提出的问题暗示了某种神圣的干预，但最终并不需要这种干预。相反，只有传统的天体物理学、运动定律、引力定律和核聚变过程足以产生“初始运动”，使行星（我们太阳系内的行星和太阳以外任何恒星系统中的行星）沿着母星轨道运行。特别是以下两个事实：

· 坍缩形成恒星和恒星系统的气体云并非天生就是球对称的，

· 并且附近其他物质团块对任何正在形成的原恒星系统施加的潮汐力将产生扭矩，从而将角动量传递给物质，

形成一个几乎不可避免地会形成行星的系统。假设有足够的重元素以不会导致它们完全光蒸发的方式形成这些行星，那么这些行星将持续存在，并且由于角动量是守恒量，只要稳定的轨道仍然可能，它们将继续围绕其母星运行。当然，其中一些可能会经历灾难，包括弹射、碰撞或被母星吞噬，但牛顿的大问题“谁（或什么）使行星运动”现在已经得到了明确的答案。