地球形成時是什麼樣子的？

太陽系是由一團氣體形成的，這團氣體形成了一個原始恆星，一個原始行星盤，最終形成了後來的行星。太陽系歷史上最偉大的成就是創造和形成了地球，這也許並不像我們普遍認為的那樣是一種罕見的宇宙現象。

大約45億年前，我們的太陽系開始形成。在銀河系的某個地方，一團巨大的氣體雲坍縮，產生了數以千計的新恆星和恆星系統，每一個都是獨一無二的。有些恆星比我們的太陽質量大得多，不過大多數都要小得多。有些星系中有多顆恆星，但大約一半的星星都是孤獨的。

實際上在它們周圍，大量的物質聚整合一個圓盤。它們被稱為原行星盤，原行星盤是圍繞這些恆星形成的所有行星的起源。在過去的幾十年裡，隨著望遠鏡技術的進步，人類已經開始直接拍攝這些圓盤及其細節。

20個新的原行星盤，由高角解析度專案合作的盤狀亞結構成像，展示了新形成的行星系統的樣子。圓盤上的縫隙很可能是新形成行星的位置。

理論上，行星的形成過程非常簡單。當有一個大的天體，比如氣體雲，我們就可以期待以下步驟發生：

質量被吸引到一箇中心區域。

這個中心區域是一個或多個大團塊生長的地方。

當週圍的氣體坍塌時。

首先是一維坍縮。

然後圓盤上的缺陷增大。

優先吸引物質並形成行星的種子。

我們現在可以直接觀察這些原行星盤，並找到證據，證明這些行星種子很早就存在了。

長蛇座TW星是一顆類似太陽和其他類太陽恆星的恆星。甚至從它的早期階段，就像這裡的圖片所示，它就已經顯示了在它的原行星盤中以不同半徑形成新行星的證據。

但是這些磁碟用不了多久。我們所看到的時間尺度通常只有數千萬年的時間來形成行星，這不僅是因為引力，還因為我們至少有一顆中心恆星在發光。

形成行星的氣體雲是由多種元素組成的：氫，氦，以及所有較重的元素，這些元素在元素週期表中一直排在前面。當你靠近恆星時，最輕的元素很容易被吹走和蒸發。在短時間內，一個年輕的太陽系將發展出三個不同的區域：

一個只有金屬和礦物才能凝結成行星的中心區域。

一箇中間區域，在那裡，岩石和巨大的世界可以形成碳化合物。

外部區域，在那裡，揮發性分子，如水，氨和甲烷可以持續存在。

原行星盤的示意圖，顯示菸灰和霜紋。對於像太陽這樣的恆星，據估計，霜凍線大約是地球到太陽最初距離的三倍，而菸灰線則要近得多。這些線條在太陽系過去的確切位置很難確定。

內部兩個區域之間的邊界稱為菸灰線，位於菸灰線的內部會破壞稱為多環芳烴的複雜碳化合物。同樣的，外部兩個區域之間的邊界被稱為霜凍線，在它的內部，會牴觸形成穩定的固體冰。這兩條線都是由恆星的熱量驅動的，並將隨著時間向外遷移。

與此同時，這些原行星團塊將會增長，吸積額外的物質，並有機會在引力上相互干擾。隨著時間的推移，它們可以融合在一起，相互作用，相互排斥，甚至相互拋向太陽。當我們進行模擬，讓行星生長和演變，就會發現一個非常混亂的歷史，這段歷史對於每個太陽系都是獨一無二的。

當我們談到太陽系時，展開的宇宙故事不僅壯觀，而且在許多方面出乎意料。在內部區域，很可能在早期有一個相對較大的世界，它可能在我們的宇宙青年時期被太陽所吞噬。沒有什麼能阻止一個巨大的世界在太陽系內部形成，只有岩石世界靠近太陽這一事實告訴我們，在早期可能存在其他的東西。

最大的行星可能是由早期的種子形成的，可能有超過四顆這樣的行星。為了得到氣態巨行星的結構，在很久以前的某個時候，至少有第五顆巨行星被噴射出來。

在早期的太陽系中，有超過四顆行星的種子是非常合理的。模擬表明它們有能力向內和向外遷移，也有能力將這些物體彈射出去。到現在，只有四顆氣態巨行星倖存。

火星和木星之間的小行星帶，很可能是最初冰霜帶的遺蹟。穩定的冰的邊界應該會導致大量的冰和岩石的混合物，在過去的數十億年裡，大部分冰都昇華了。

與此同時，在最後一個氣態巨行星之外，太陽系早期遺留下來的星子依然存在。儘管它們可能會合並、碰撞、相互作用，偶爾還會被引力彈弓拋入太陽系內部，但它們在很大程度上仍位於海王星之外，是太陽系最年輕階段的遺蹟。在很多方面，這些都是宇宙誕生時的原始遺蹟。

來自太陽系霜凍線以外部分的星子來到地球，構成了今天地球的地幔的大部分。在海王星之外，這些星子仍然作為柯伊伯帶的天體存在至今，相對於從那時起的45億年沒有什麼變化。

但對我們來說，最有趣的地方是太陽系內部。可能曾經有一個巨大的內部行星被吞噬，或者可能氣態巨行星曾經佔據內部區域並向外遷移。不管怎樣，某種東西推遲了太陽系內部行星的形成，使得確實形成的四個世界——水星、金星、地球和火星——比其他所有行星都要小得多。

不管剩下的是什麼元素，透過行星密度測量，我們知道它們大多是重的，因此這些岩石世界就形成了。每一個地核都有一個由重金屬構成的地核，外加一個密度較低的地幔，地幔是由後來從冰點線以外落到地核上的物質構成的。經過幾百萬年這樣的進化和形成，這些行星的大小和軌道與今天的情況相似。

隨著太陽系的演化，揮發性物質蒸發，行星吸積物質、星子融合在一起，軌道遷移到穩定的結構中。氣態巨行星可能在引力上支配著我們太陽系的動力學，但據我們所知，在太陽系內部的岩石行星上，所有有趣的生物化學現象都在發生。

但是有一個巨大的區別：在早期階段，地球沒有月球。事實上，火星也沒有任何衛星。為了實現這一點，需要一些東西來建立它們。這將需要某種型別的巨大撞擊，在這種撞擊中，一個大質量的物體撞擊了這些早期行星中的一個，激起碎片，最終形成一個或多個衛星。

對於地球來說，直到我們登上月球研究我們在月球表面發現的岩石時，這個想法才受到重視。令人驚訝的是，月球和地球有著同樣穩定的同位素比率，而太陽系其他行星的同位素比率則有所不同。此外，地球的自轉和月球圍繞地球的軌道有相似的方向，月球有一個鐵核，所有這些事實都指向地球和月球的共同起源。

“巨大撞擊假說”認為，一個火星大小的天體與早期地球相撞，而那些碎片並沒有落回地球，形成了月球。這就是所謂的“巨大影響假說”，雖然它是一個引人注目的敘述，但它可能只有事實的部分，而不是完整的過程。

最初，這個理論被稱為“巨大撞擊假說”，其理論基礎是原始地球和火星大小的忒亞星球之間的早期碰撞。擁有5顆衛星的冥王星系統，以及擁有2顆衛星（過去可能是3顆）的火星系統，都顯示出類似的證據，表明很久以前巨大的撞擊創造了它們。

但是現在，科學家們注意到最初為創造月球而提出的“巨大撞擊假說”存在問題。一個來自遙遠的太陽系的物體，可能是我們的月球形成的原因。與我們所說的巨大撞擊不同，與原地球的高能碰撞可能會在我們的世界周圍形成一個碎片盤，形成一種被稱為synestia的新型結構。

synestia可能是什麼樣的：一個膨脹的環。

月球有四大屬性，任何成功的理論對於它的起源都作了解釋：為什麼只有一個大月亮，而不是多個衛星，為什麼元素的同位素比值是地球和月球之間如此相似，為什麼中等揮發性元素耗盡在月球，為什麼月亮是傾向於對日地平面等等。

同位素比率對於巨大沖擊假說來說尤其有趣。地球和月球之間類似的同位素性質表明，如果撞擊物和地球都很大，那麼它們必須在離太陽相同半徑的地方形成。這是可能的，但是透過這種機制形成月球的模型沒有給出正確的角動量性質。同樣，與右角動量擦掠碰撞產生的同位素丰度與我們看到的不同。

synestia由來自原始地球和碰撞體的蒸發物質的混合物組成，碰撞體透過小衛星的合併在其內部形成一個大月亮。。

如果有一個快速的，充滿能量的碰撞發生在一個質量較小的物體和原始地球之間，在地球周圍會形成一個巨大的環形結構，這種結構被稱為synestia。

隨著時間的推移，這些物質將混合在一起，在短時間內形成許多小衛星，這些小衛星可以粘附在一起併產生引力，形成我們今天看到的月球。與此同時，synestia中的大部分物質，尤其是內部部分，將會落回地球。

在早期的太陽系中，並不是一個巨大的火星大小的世界的單一撞擊，而是一個質量小得多但仍具有高能量的碰撞產生了我們的月球。像這樣的碰撞預計將會更加普遍，並且比傳統的類似於黑洞的巨大撞擊場景更能解釋我們在月球上看到的一些性質。

幾乎可以肯定的是，在太陽系的早期，年輕的地球曾遭遇過一場高能碰撞，而這一碰撞也造就了我們的月球。但它很可能比火星小得多，而且幾乎可以肯定，它是一次有力的撞擊，而不是一次擦身而過的碰撞。形成的結構不是由岩石碎片組成的雲，而是一種被稱為synestia的新型擴充套件蒸發圓盤。隨著時間的推移，它形成了我們今天所知道的地球和月球。