45億多年前，地球的種子就已經到位，就像我們太陽系最早的部分開始形成一樣。 在銀河系的某個地方，一大片氣體坍塌，產生了數千顆新的恆星和恆星系統，每一顆都是獨一無二的。 有些恆星的質量比我們的太陽大得多; 大多數要小得多，質量也低得多。 大約一半的星系中有多顆恆星; 大約一半的恆星是由它們的孤星形成的，就像我們的恆星一樣。 隨著這些原恆星的坍縮和冷卻，它們核心的溫度和密度會上公升。 在跨過核聚變點火的門檻後，我們的母星太陽正式“誕生”為一顆活星。
但這些新生的明星並不孤單。 幾乎在它們中的每乙個周圍，大量的物質被凝結成乙個圓盤。 這些被稱為原行星盤，將成為最終在這些恆星周圍穩定形成的每顆行星的起點。 隨著過去幾十年望遠鏡技術的進步，我們已經開始對這些圓盤及其細節進行第一手成像，並了解行星形成在早期階段的樣子。 太陽誕生後不久，圍繞它形成了乙個行星系統，最終導致了現代太陽系。 我們第一次親眼目睹了像我們這樣的行星系統是如何形成的。
20個圍繞年輕恆星執行的原行星盤的樣本，由高角解像度專案的圓盤子結構測量：Dsharp。 諸如此類的觀測告訴我們，原行星盤主要形成於乙個平面，並傾向於支援行星形成的核心吸積情景。 圓盤結構可以在紅外線和公釐波長下看到。 我們最近了解到，在1-200萬年後，原行星盤中開始形成間隙，而年輕的盤則沒有這種子結構。 **s.m.Andrews 等人，APJL，2018 年。
從理論上講，在新生恆星周圍形成行星的過程非常簡單。 每當您有像氣體雲這樣的大質量時，您可以預期會發生以下步驟：
大部分質量被吸引到乙個中心區域，乙個或多個大團塊會長成原恆星，當周圍的三維氣體坍縮時，首先乙個維度被摺疊（形成乙個圓盤），然後圓盤中的缺陷就會增長，優先吸引物質並形成行星的種子，當來自新形成恆星的高能粒子和風與該物質相互作用時， 最終沸騰和蒸發揮發性化合物，持續一段時間，只留下一組完全形成的行星、衛星和其他物體。
由於長波長觀測對加熱塵埃等細節非常敏感，我們現在可以直接觀測這些原行星盤。 值得注意的是，我們發現有證據表明，這些行星種子 - 或原行星盤中的缺陷 - 在恆星系統歷史的早期開始出現：在原恆星點燃成為恆星之前的200萬年內。 然而，這些原行星盤不會持續很長時間，因為它們將在數千萬年後完全蒸發。 在早期的物質被吹走後，留下的東西最終會成為乙個成熟的行星系統。
在乙個由單個原恆星主導的系統中，將有由多條線定義的主要區域，包括每個特定分子物種的煙塵和霜線。 儘管在圓盤中生長的缺陷，積累超過一定質量閾值的大氣體包層，可以很好地描述在我們的太陽系和許多其他行星中形成的行星，但它們並不能解釋在太陽 - 海王星距離之外發現的巨型行星。 **nasa/jpl-caltech/invader xan
對於我們的太陽系來說，很久以前，情況是一樣的。 最初，只有一團原始的氣體雲，所有的行星都是從中形成的，由各種元素組成：主要是氫（大**遺留下來的），其次是氦（大部分是大**遺留下來的，但部分是由前幾代恆星形成的），以及所有較重的（都是由前幾代恆星和恆星大災難形成的）， 元素週期表的上下。你越接近新形成的恆星，最輕的元素就越容易被吹走和蒸發。 在很短的時間內，每個年輕的恆星系統將發展出三個不同的區域：
只有金屬和礦物才能凝結成行星的中心區域，可以形成含有碳化合物的岩石和巨型世界的中間區域，以及水、氨、甲烷和氮等揮發性分子可以持續存在的外部區域。
內部兩個區域之間的邊界稱為煙塵線，其內部會破壞稱為多環芳烴的複雜碳化合物。 同樣，兩個外部區域之間的邊界被稱為霜凍線，在它內部會阻止您形成穩定的固體冰。 （事實上，有多條霜線：每種揮發性化合物一條。 這兩條線都是由恆星的熱量驅動的，隨著恆星的公升溫和演化，它們會隨著時間的推移向外遷移。
有趣的是，JWST發現了第三條可能出乎意料的“線”，因為在附近數億年前的恆星Fomalhaut周圍發現的碎片盤顯示了小行星帶類似物，柯伊伯帶類似物和第三個中間區：乙個意想不到但令人興奮的發現。
Fomalhaut星系的結構在這張帶注釋的JWST影象中首次被揭示。 乙個**內盤，然後是乙個（可能是行星引起的）間隙，乙個中位數，更多的行星（和另乙個間隙），最後是乙個柯伊伯帶類似物，以及內部新形成的被稱為“大塵埃雲”的東西，被揭示出來。 **nasa、esa、csa、a.Gáspár（亞利桑那大學）等人，《自然天文學》，2023 年。
當恆星繼續將輕元素融合到其核心的較重元素中時，原行星盤中的缺陷會形成團塊。 隨著時間的流逝，這些原行星團塊將通過從其軌道內吸積額外的物質以及從離圓盤稍近和稍遠的外部物質吸入而增長。 產生的團塊越多，它們彼此越接近，它們相互干擾的機會就越大。 隨著時間的流逝，各種團塊（稱為原行星）可以：
合併和碰撞，在引力作用下相互彈射，甚至將一兩個物體扔進太陽或更大的原行星。
當我們進行模擬並讓行星成長和演化時，我們會發現乙個非常混亂的歷史，這是每個形成的行星系統所獨有的。
當談到我們自己的太陽系時，正在展開的宇宙故事不僅壯觀，而且在許多方面出乎意料地暴力：充滿了許多潛在的行星，這些行星最終被附近更大規模的惡霸摧毀。 在我們早期太陽系的內部，很可能我們在早期有乙個相對較大的世界，它可能在我們的宇宙青年時期就被我們的太陽吞噬了。 沒有什麼能阻止乙個巨大的世界在內太陽系中形成; 事實上，我們只有乙個靠近太陽的岩石世界，這一事實告訴我們，在早期可能還有其他東西。 最大的行星可能是由早期的大質量種子形成的，可能有四個以上。 為了獲得氣態巨行星的當前配置，我們進行的模擬似乎表明，在很久以前的某個時候，至少有第五顆巨行星被拋射出來。 與此同時，木星開始向太陽靠攏，清除了早期在那裡形成的任何低質量世界，並隨著時間的推移向外遷移。
直到數百萬年後，當我們的太陽系最初形成時，留下的原始物質要少得多，現在的內部岩石世界才開始形成。 它們的形成來得很晚，這解釋了為什麼現在在我們內太陽系中發現的行星與我們發現的更大、更外、富含氣體的行星相比，質量如此之低。
火星和木星之間的小行星帶很可能是我們原來的霜凍線的殘餘。 可能有穩定冰的邊界應該導致大量的冰和岩石混合物，其表面冰在數十億年的時間裡已經大部分昇華，導致了目前富含岩石和金屬的小行星組成。
與此同時，除了我們最後的氣態巨行星外，太陽系早期階段遺留下來的小行星今天仍然存在。 儘管它們可能會合併在一起，碰撞，相互作用，偶爾會被引力彈弓扔進內太陽系，但它們在很大程度上仍然在海王星之外，作為我們太陽系最年輕階段的遺跡。 在許多方面，這些柯伊伯帶和奧爾特雲天體是銀河系宇宙角自成立以來最古老、最原始的遺跡。
隨著太陽系的演化，揮發性物質被蒸發，行星吸積，小行星合併在一起，軌道遷移到穩定的配置。 氣態巨行星可能在引力上主導著我們太陽系的動力學，並可能隨著時間的推移向外遷移，但就生命而言，內部的岩石行星是所有有趣的生物化學發生的地方。 **astromark/wikimedia commons
但就我們的目的而言，最有趣的地方是內太陽系。 雖然我們已經了解到大質量行星在系外行星系統的內部很常見，其核心是類太陽恆星，但它們並不是強制性的。 擺脫任何早期大質量行星的最簡單方法是要麼被年輕的太陽吞噬，要麼讓最內層的氣態巨行星在早期階段靠近內部區域，但隨後向外遷移。 無論哪種方式，某些東西都推遲了內太陽系行星的形成，使得已經形成的四個世界——水星、金星、地球和火星——比已經形成的巨型外行星小得多，質量也小得多。
一旦內太陽系能夠穩定地形成行星，我們仍然會留下任何元素，我們知道這些元素在我們今天的行星密度測量中大多是重元素，我們太陽系的岩石行星出現了。 每乙個都有乙個由重金屬製成的地幔，伴隨著乙個由密度較低的地幔製成的地幔，這些地幔由後來落在核心上的物質製成，包括揮發物，如果它們沒有被錨定在霜凍線內的行星上，這些物質就會被煮掉。 經過數百萬年的演化和形成，這些行星的大小和軌道與今天的行星相似。
當太空中的兩個物體相撞時，無論是小行星、月球、岩石行星，甚至是巨型行星，都會產生一大片阻擋光線的碎片雲。 當這片雲相對於外部觀察者從其母星前方經過時，這顆恆星將顯得微弱而暗淡。 其中許多碰撞可能發生在我們早期太陽系的小行星之間，創造了一組迷人的行星和月球系統。 **nasa/jpl-caltech
但有乙個巨大的區別：在這些早期階段，地球沒有我們的月球。 事實上，火星也沒有衛星。 可能不僅有四顆年輕的行星，而是六顆：一顆和火星一樣大但離地球更近的年輕行星，叫做忒伊亞，還有一顆尚未命名的行星，它離火星更近，質量可能比紅色星球小。 在地球和火星有衛星之前，它們就像金星和水星一樣：孤立的世界，只需要擔心其他大質量物體與它們相撞或重力擾動。 只有在發生重大撞擊之後，才會出現圍繞火星的地月系統或衛星系統。
怎麼會這樣？ 通過某種型別的大規模撞擊，乙個巨大的質量撞擊了這些早期世界之一，引發了行星碎片，其中一些碎片將落回母行星上，但其中一些最終會合併成一顆或多顆衛星。 對於地球來說，這個想法並沒有被特別重視，直到我們去月球並調查了我們在月球表面發現的岩石。 令人驚訝的是，月球的穩定同位素比與地球相同，而太陽系中的所有其他行星的同位素比值不同。 此外，地球的自轉和月球繞地球的軌道方向相似，月球有鐵核，所有的事實都指向地球和月球的共同起源。
巨型撞擊假說指出，乙個火星大小的物體與早期地球相撞，沒有落回地球的碎片形成了月球。 這被稱為巨型撞擊假說，雖然這是乙個引人入勝的敘述，但它可能只有真相的元素，而不是乙個完整的故事。 所有擁有大衛星的岩石行星都可以通過這種碰撞獲得它們。 **nasa/jpl-caltech
最初，關於這種碰撞如何發生的理論被稱為巨型撞擊假說，理論上涉及原始地球與被稱為忒伊亞的火星大小世界之間的早期碰撞。 冥王星系統有五顆衛星，火星系統有兩顆衛星（可能曾經是三顆），它們都顯示出類似的天文學證據，表明它們是由很久以前的巨大撞擊產生的。
然而，巨型撞擊假說，至少在其原始形式中，已被證明會帶來難以與實際資料相協調的問題。 現在，對於乙個速度明顯高於相鄰軌道上另一顆行星的物體來說，更小（但仍然非常大）的撞擊會更好，這可能是我們月球的創造。 與原始地球的高能、高速碰撞可能會在我們的世界周圍形成乙個碎片盤，而不是最初的巨大撞擊概念，一種新型的蓬鬆環狀結構圍繞著我們的星球，稱為聯覺。 同時，撞擊器的核心將進入地球內部，在那裡它不僅會與地球核心融合，甚至可能保持內部完好無損，地球物理證據將在數十億年後向人類揭示它的存在。
聯想將由來自較大質量行星原行星的汽化物質和乙個較小的撞擊器組成，這些撞擊器將通過小型衛星的合併在內部形成乙個或多個大衛星。 能夠創造乙個大衛星，具有我們觀察地月、多個衛星（例如火星或冥王星周圍的衛星）或圍繞更高質量世界的更複雜的系統，這是乙個一般的情況。 **s.j. lock et al.， j. geophys.研究， 2018
月球有四個主要屬性，對於任何成功的起源理論都必須解釋這些屬性：
為什麼只有乙個大月亮而沒有很多，為什麼地球和月球之間的元素同位素比率如此相似，為什麼月球中適度揮發性的元素會耗盡。
以及為什麼月球相對於地球-太陽平面傾斜。
同位素比率對於巨型撞擊假說特別有趣。 地球和月球之間相似的同位素特性表明，如果撞擊器（忒伊亞）和地球都很大，它們必須以與太陽相同的半徑形成。 這是可能的，但是通過這種機制形成月球的模型沒有給出正確的角動量特性。 同樣，具有正確角動量的掠奪性碰撞會產生與我們所看到的不同的同位素豐度。
這就是為什麼另乙個較新的場景——聯覺——如此吸引人。 如果你在乙個更小、質量更小的天體和我們原來的地球之間發生快速、高能的碰撞，你就會在地球周圍形成乙個巨大的環狀結構。 這種結構稱為聯覺，由原始地球和撞擊物體混合物的汽化材料製成。 隨著時間的流逝，這些物質在短時間內混合在一起形成許多迷你衛星（稱為迷你衛星），這些衛星可以粘在一起並引力形成我們今天觀察到的月球。 同時，聯覺中的大部分物質，尤其是內部物質，都會落回地球。 我們現在可以從產生像我們這樣的大衛星的廣義結構和場景的角度來談論它，而不是單一的、人為的巨型撞擊，並注意到在太陽系的早期階段，類似的事情可能發生在火星上。
地球形成大約5000萬年後，它被乙個火星大小的大物體忒伊亞擊中。 碰撞的後果使地球過熱並引發了大量碎片，其中很大一部分最終形成了月球。 其餘的要麼從地月系統中逃脫，要麼落回兩個天體之一。 雖然月球的背面冷卻得更快，但由於面對炎熱的地球，近側保持更熱的時間要長得多。 這是解釋面向地球的月球與地球相反的半球之間差異的主要場景之一。 **mark a. garlick
幾乎可以肯定的是，在太陽系的早期階段，與乙個外星軌道外物體發生了高能碰撞，撞擊了我們年輕的地球，而這種碰撞對於產生我們的月球是必要的。 但它很可能沒有今天的火星那麼大，而且幾乎可以肯定，這是一次堅實的撞擊，而不是一瞥。 形成的結構不是岩石碎片雲，而是一種稱為聯覺的新型膨脹、汽化圓盤，它已迅速成為一般岩石行星周圍形成衛星的首選方案。 隨著時間的流逝，這種聯覺穩定下來，形成了我們今天所知道的地球和月球，月球最初非常接近地球並且非常熱，隨著時間的推移冷卻並向外螺旋。
在太陽系早期階段的末期，生命條件是有希望的，大氣稀薄的岩石行星的原材料位於適當的距離，液態水可以穩定地存在於其表面。 隨著火山活動從地球內部噴出水，並在太陽系早期歷史的猛烈轟炸中從外星帶到我們的星球，我們完全有理由認為乙個年輕、貧瘠的地球可能適合居住。 有了一顆中心恆星，三個富含大氣層的岩石世界（包括金星和火星），生命所需的原始元素，以及更遠的氣態巨行星，所有的碎片都為生命的出現做好了準備。 我們知道，我們很幸運，因為人類已經出現。 但有了這種新的理解，我們也認為，像我們這樣的生命的可能性已經在整個銀河系的其他地方發生了數百萬次甚至數十億次。