我们是怎么来到这里的？恒星和行星是如何形成的？一颗恒星的生命过程中会发生什么，它死后它的行星会遭遇怎样的命运？快来踏上穿越时空和科学侦探工作的星际之旅吧。

一、一颗恒星的诞生

时间：0 到 100,000 年

这一切都始于难以想象的冷云。这片云包含了全新世界的种子——即将诞生的恒星和行星。

氢气和氦气分子通常以高速旋转，但由于重力而减速并聚集在一起。微小的硅酸盐颗粒、铁和富含碳的物质，统称为“尘埃”。将一些气体能量送回太空，使云更冷。尘埃颗粒盘旋在物质的中心结中，就像水从下水道流下来一样。

随着这块云团的收缩和变厚，随着更多气体和尘埃被吸入，一个明亮的热球开始在中心形成。重力正在与气体和磁场的压力作斗争，而重力正在取得胜利。

当这颗新生恒星成形时，向内盘旋的物质会变平成一种称为吸积盘的薄饼状结构。

为什么会发生这种情况？

银河系数十亿颗恒星的引力牵引可能已经加速并震动了气体。或者，可能是两朵云相互碰撞，导致气体聚集。但有时，大质量恒星的灾难性爆炸会将物质的强风吹入恒星形成云——死亡导致新生。

“下雨”的星星

同样的过程可能会发生在同一个分子云中的几十个、几百个甚至上千个地方，成为一个闪闪发光的恒星苗圃。

美国宇航局系外行星探索计划的副项目科学家埃里克·马耶克说：“这就像地球上云中的雨。如果你拥有形成一滴雨的各种物理条件的组合，那么你很可能就在附近具有同样成熟条件的天然气块，适合产生大量大量雨水。”

这样，分子云就像地球云，雨滴就像星星。这些云中的气体会坍塌和碎裂，形成大批量的小恒星。所以，恒星往往是成群结队地形成的。

二、从云团到圆盘

时间：10万到100万年

新生的恒星是一个活泼的婴儿，当它从周围旋转的气体和尘埃中获取营养时，会喷射出强烈的磁力加速物质射流。就像厨师旋转时一团披萨面团变平一样，这种材料会凝结成一个扁平的圆盘。那个“面团”有一个从云的坍塌继承而来的首选方向。除非另一个恒星系统离得足够近以与其相互作用，否则相同的自旋将在系统的整个生命周期中保持不变。

在大约 100,000 年后，云团开始变薄，足以显示出两种不同的结构：一颗新生的恒星和一个蓬松的、弥漫的气体和尘埃盘。

行星“面包屑”

整个系统仍然主要是氢气和氦气，圆盘中的气体比尘埃多约 100 倍。尘埃对于形成包含碳和铁等元素的行星至关重要。

太空望远镜科学研究所的科学家乔尔格林说：“行星本质上是没有最终进入恒星的碎屑。”

三、碰撞，碰撞

时间：100万到1000万年

围绕恒星的一个非常年轻的圆盘主要包含气体和尘埃，不比沙粒大，在其中旋转。这颗小恒星仍在散发出极热的风，主要是被称为质子和中性氦原子的带正电粒子。圆盘上的许多物质仍然落在恒星上。但是一小群幸运的尘埃颗粒正在相互碰撞，聚集成更大的物体。行星将由不到磁盘质量的 1% 形成。

气体的存在有助于固体材料颗粒粘在一起。尘块变成鹅卵石，鹅卵石变成更大的岩石，磨在一起变大。有些人会分开，但有些人会坚持下去。这些是行星的组成部分，有时被称为“小行星”。

温度问题

在圆盘较冷的地方，离恒星足够远以至于水可以结冰，微小的冰碎片随尘埃搭上便车。肮脏的雪球可以聚集成巨大的行星核心。这些较冷的区域还允许气体分子减速到足以被吸引到行星上。

人们认为我们太阳系的气态巨行星（木星、土星、天王星和海王星），就是这样形成的：一个岩石冰核从圆盘中汲取气体，形成了行星的奇妙漩涡气体层。今天见。木星和土星被认为是最早形成的，而且很快（在太阳系的前 1000 万年内）。

在圆盘较温暖的区域，靠近恒星，在冰巨星形成后，岩石行星形成，并且没有太多气体可供类地行星阻碍。像水星、金星、地球和火星这样的岩石行星在恒星诞生后可能需要数千万年才能形成。行星更喜欢在盘中形成的确切位置的细节仍然是个谜，也是一个正在进行的研究领域。

四、四处走动

时间：1000万到10亿年

帕萨迪纳加州理工学院教授希瑟·克努森说。“生长中的行星不会原地不动。它们四处移动。它们彼此相互作用，并与气盘相互作用，以一种非常随机和混乱的方式。”

当圆盘中的气体被岩石行星吸收或消散到广阔的太空中后，行星不会静止不动。在这样一个年轻的系统中，行星或被称为“原行星”的行星构件可能会在相互碰撞的轨道上运行，而气体的缺乏使移动比以往任何时候都容易。

怀俄明大学的天文学家 Jang-Condell 说：“一旦你摆脱了圆盘，行星之间就有可能相互影响，而不是与圆盘相互作用，这可能会导致事情发生变化。” .

大行星可能会将较小的天体踢入恒星或完全踢出系统。这是对被称为“流氓行星”的大型孤独天体的一种可能解释，这些天体在没有恒星的情况下被发现。我们太阳系的神秘访客，一颗名为“Oumuamua”的小彗星，被认为是从不同的恒星系统中弹出的。

（星际物体“Oumuamua”的概念图，它在 2017 年 10 月以异常高的速度掠过地球时，让科学家们感到困惑。图片来源：NASA/JPL-Caltech/R。巴库斯）

五、安顿下来

时间：10亿到100亿年

在大约 1 亿到 10 亿年的历史中，行星往往会在它们的轨道上稳定下来，而恒星也不会那么耀眼。我们自己的太阳系大约有 45 亿年的历史，是这种行星“中年”概念的模型。曼德尔认为我们的行星系统大约有 45 到 50 年的历史，如果缩小到人类的一生。

但是通过研究系外行星，即太阳系以外的行星，科学家们知道，在这个舒适的生命时代，我们的太阳系并不是行星系统的唯一视角。

一颗因其七颗地球大小的岩石行星而闻名的恒星TRAPPIST-1，形成于 54 亿至 98 亿年前，比我们的太阳系安全地古老。TRAPPIST-1 的大小只有太阳的 9%，是一颗极其微弱的 M 矮星。它的所有行星都非常靠近地挤在一起，都在水星的轨道内。因为这颗恒星的能量输出如此之低，它最远的行星 TRAPPIST-1h 可能是一个冰球，即使它在不到 19 天的时间内绕着它的恒星旋转一圈。该系统中的另一颗行星，称为 TRAPPIST-1e，在其表面接收的星光量方面与地球特别相似，尽管“一年”有 6.1 天。

（TRAPPIST-1 系统概念图。图片来源：NASA/JPL-加州理工学院）

热木星的大小与木星相同或更大，它们的轨道离它们的宿主恒星更近，并且经历着灼热的温度，在我们的太阳系中是无处可寻的。我们本可以有一颗热木星在早期被太阳吞噬，但很多木星在其他系统中幸存下来，甚至是更老的系统。两个例子是HAT-P-65b，科学家计算它有 55 亿年的历史，以及HAT-P-66b，估计有 47 亿年的年龄。其他恒星周围的其他奇异行星包括“超级地球”，质量高达地球 10 倍的大型岩石行星，以及被称为“迷你海王星”的小型气态行星。

六、成为巨人

时间：10到110亿年

当我们的太阳在大约 60 亿年后接近它的红巨星阶段时，它的核心将耗尽燃料。随着氢聚变速度减慢，地核再次开始收缩。随着核心变小，它会升温，直到可以启动另一轮核反应，将氦融合成更重的元素，如碳、氮和氧。更热的核心还会使氢在围绕核心的材料“壳”中融合。与此同时，恒星内部产生的额外热量会导致其外层气体膨胀。

红巨星阶段的结束通常是恒星生命中最剧烈的时期。这颗膨胀、垂死的恒星以强烈的偶发性爆发从其外层抛出物质。在我们自己的太阳系中，太阳会膨胀得如此之多，以至于它会融化、蒸发并吞噬一些内部的岩石行星。华威大学的天文学家迪米特里维拉斯说：“我相信太阳会吞噬水星和金星，而不是火星。但地球的命运位于两者之间，还不太清楚。”

研究地球是否会被烘烤和吞噬的科学家创建了，随着太阳系老化而地球和太阳之间引力相互作用的计算机模型。最近的模型表明地球可能不会完好无损。但即使是这样，所有幸存下来的行星都将经历来自不断膨胀的太阳的暴涨能量，用强烈的辐射沐浴它们的大气和表面。

（乔尔·格林 (Joel Green) 在夏威夷莫纳克亚 (Mauna Kea) 的加州理工学院亚毫米波天文台 (Caltech Submmillimeter Observatory) 展出，他在太空望远镜科学研究所研究年轻恒星和原行星盘的形成。）

行星的轨道也可能变得不稳定。随着红巨星质量的减少，恒星对其行星的引力变得更弱，因此它们的轨道将扩大。在我们自己的太阳系中，太阳会甩掉大约一半的质量，所以外行星的轨道会向外漂移，沉降距离是今天的两倍。海王星的距离是地球-太阳距离的 30 倍，最终将上升到地球-太阳距离的 60 倍左右。接近其燃料燃烧寿命的终点，太阳将变得更亮、更大。它的直径会变得如此之大，以至于它可以从一个幸存的行星表面填满整个天空。

七、死亡与新生

时间：11至130亿年

当这颗前红巨星的核心耗尽所有燃料并释放出所有气体时，剩余的致密恒星灰烬被称为白矮星。这颗白矮星被认为是“死的”，因为它内部的原子不再融合为恒星提供能量。但它仍然“发光”，因为它太热了。最终，它会冷却并从视野中消失。我们的太阳将在大约 80 亿年后死亡。

（行星和碎片盘的白矮星概念图。图片来源：NASA/JPL-加州理工学院）

对白矮星周围的尘埃碎片带的观察表明，巨大的行星可能会将小天体保持在围绕白矮星的轨道上，甚至将它们向内抛掷，被死星咀嚼。这一想法的提出，是因为在白矮星的大气中检测到了各种各样的重元素，这些重元素太重了，以至于它们早就应该沉入这颗稠密的死星了。

几乎宇宙中的每一颗恒星最终都会经历从红巨星到白矮星的转变，尽管极低质量的恒星需要比现在的宇宙年龄更长的时间才能到达那里。然而，如果一颗恒星质量非常大，它可能会遵循不同的路径，膨胀成一颗超巨星，最终爆炸成超新星。

在超巨星的肩膀上

超巨星包含许多层不同种类的原子融合，产生巨大的能量输出。

迄今为止，还没有在超巨星周围发现有一天会爆炸的行星。然而，这并不意味着它们不存在。超巨星是非常罕见的，而且非常明亮，以至于它们将远远超过任何绕轨道运行的天体。我们的技术可能还不够先进，无法找到它们的行星。

超巨星可能稍纵即逝，但它们的爆炸在这个故事中起着重要作用。来自超新星的冲击波可以触发新恒星的形成，在死亡之后诞生新的生命。