จานก่อกำเนิดดาวเคราะห์: ระบบสุริยะเกิดได้อย่างไร

ในคริสต์ศตวรรษที่ 18 อีมานูเอล คานท์ และ ปีแยร์-ซีมง ลาปลาซ เสนอว่าระบบสุริยะเกิดจากเมฆแก๊สที่หมุนและยุบตัวเป็นจานแบน ดวงอาทิตย์เกิดที่ใจกลาง ดาวเคราะห์เกิดในจาน แนวคิดนี้เรียกว่าสมมติฐานเนบิวลา และอธิบายได้ว่าทำไมดาวเคราะห์ทุกดวงโคจรในระนาบเดียวกันและในทิศเดียวกับที่ดวงอาทิตย์หมุน

จากเมฆสู่จาน

เมฆแก๊สที่ยุบตัวลงมีการหมุนเล็กน้อยติดมาเสมอ ขณะหดตัว มันหมุนเร็วขึ้นเพราะการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม แก๊สที่ตกลงตามแนวขั้วหมุนลงไปได้ง่าย แต่แก๊สที่อยู่ในแนวเส้นศูนย์สูตรถูกแรงหนีศูนย์กลางต้านไว้ ผลคือเมฆแบนลงเป็นจานที่หมุนรอบดาวฤกษ์อายุน้อยตรงกลาง จานแบบนี้พบรอบดาวอายุน้อยเกือบทุกดวง อยู่ได้ราวไม่กี่ล้านปีก่อนแก๊สจะถูกดาวฤกษ์ดูดไปหรือเป่าทิ้ง

จากฝุ่นสู่ดาวเคราะห์

1. ฝุ่นเกาะกัน เม็ดฝุ่นขนาดไมโครเมตรชนกันเบา ๆ แล้วติดกันด้วยแรงไฟฟ้าสถิต กลายเป็นก้อนขนาดเซนติเมตรถึงเมตร
2. ดาวเคราะห์ก่อนเกิด ก้อนหินรวมกันเป็นวัตถุขนาดหลายกิโลเมตร ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงพอจะดึงวัตถุอื่นเข้ามา ขั้นนี้ยังเป็นปริศนาบางส่วน เพราะก้อนขนาดเมตรควรแตกเมื่อชนกันหรือไหลลงสู่ดาวฤกษ์อย่างรวดเร็ว กลไกที่เสนอคือการที่ก้อนหินรวมตัวกันหนาแน่นในบางบริเวณของจานแล้วยุบตัวพร้อมกัน
3. ตัวอ่อนดาวเคราะห์ วัตถุที่ใหญ่กว่าโตเร็วกว่า เพราะดึงวัตถุอื่นได้ดีกว่า ไม่กี่ล้านปีก็ได้ตัวอ่อนขนาดดวงจันทร์ถึงดาวอังคารหลายสิบดวง
4. การชนครั้งใหญ่ ตัวอ่อนชนกันจนเหลือดาวเคราะห์ไม่กี่ดวง ดวงจันทร์ของโลกก็น่าจะเกิดจากการชนครั้งสุดท้ายของยุคนี้

เส้นหิมะ

ใกล้ดาวฤกษ์ร้อนเกินกว่าน้ำจะเป็นน้ำแข็งได้ มีแค่หินและโลหะเป็นวัสดุก่อดาวเคราะห์ ดาวเคราะห์วงในจึงเล็กและเป็นหิน เลยระยะหนึ่งออกไป (สำหรับระบบสุริยะราว 3 หน่วยดาราศาสตร์) น้ำแข็งก่อตัวได้ วัสดุแข็งมีมากขึ้นหลายเท่า แกนดาวเคราะห์จึงโตเร็วจนหนักกว่าโลกราวสิบเท่า และมีแรงโน้มถ่วงพอจะดึงแก๊สไฮโดรเจนและฮีเลียมจากจานเข้ามาได้มหาศาล กลายเป็นดาวเคราะห์ยักษ์อย่างดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ ทั้งหมดต้องเกิดภายในไม่กี่ล้านปีก่อนแก๊สในจานหมดไป

เห็นได้จริงแล้ว

ในปี ค.ศ. 2014 กล้อง ALMA ถ่ายภาพจานรอบดาวอายุน้อย HL Tauri ได้ละเอียดมาก และพบว่าจานมีวงแหวนสว่างสลับกับร่องมืดหลายวง คล้ายแผ่นเสียง ร่องเหล่านี้น่าจะเกิดจากดาวเคราะห์อายุน้อยที่กำลังกวาดฝุ่นในวงโคจรของมัน ทั้งที่ดาวฤกษ์มีอายุเพียงราวหนึ่งล้านปี ภาพนี้บอกว่าดาวเคราะห์เกิดเร็วกว่าที่เคยคิด ปัจจุบันพบจานที่มีโครงสร้างแบบนี้แล้วหลายสิบจาน และในปี ค.ศ. 2018 มีการถ่ายภาพดาวเคราะห์อายุน้อยในจานของดาว PDS 70 ได้โดยตรง