「天外來客」講述太陽系「童年」故事

北京新浪網 (2022-05-24 07:29)
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研究人員提出,原行星盤氣體的外流像一雙「看不見的手」,參與了早期太陽系的塑造,影響了小天體和行星的形成。他們從隕石同位素含量兩極化的現象入手,推演太陽系形成之初的500萬年間發生的故事,並據此構建出早期太陽系天體形成的新模型。

5月31日,我們即將迎來武仙座流星雨。一顆顆流星劃過夜空,帶給我們一場視覺盛宴。但其實流星的背後,還可能包含著解開太陽系身世之謎的種種線索。在天文學家眼中,流星是來自太空的信使,幫助好奇的人類了解宇宙的奧秘。他們試圖從隕石中捕捉各種蛛絲馬跡,揭開藏在太陽系漫長演化歷程中的種種謎團。

近日,《科學·進展》雜誌刊登了浙江大學物理學院研究員劉倍貝與丹麥哥本哈根大學、瑞典隆德大學學者的聯合研究成果——從隕石同位素含量兩極化的現象入手,推演太陽系形成之初500萬年間發生的故事。

他們提出,原行星盤氣體的外流像一雙「看不見的手」,參與了早期太陽系的塑造,影響了小天體和行星的形成。據此,他們構建出早期太陽系天體形成的新模型。

隕石成分不均是關鍵線索

讓我們將時間線推回到太陽系誕生后的500萬年間,彼時的太陽系正處「童年期」,太陽周圍環繞著一個扁平的氣體圓盤。這個氣體圓盤被稱為原行星盤,它就像是行星們的共同「搖籃」,其中漂浮的固體顆粒可被成長中的行星所吸積。

太陽系裡的小行星、彗星或行星撞擊后產生的碎片即隕石,它們的母體也形成於同一時期、同一「搖籃」——原行星盤。科學家可以通過對隕石進行研究,探索早期太陽系形成和演化的過程。

按照物質成分,隕石可分為碳質隕石和非碳質隕石。碳質隕石含有更多的揮發性物質,包括含碳有機物和水等;而非碳質隕石則含有更多的難熔性金屬元素。

學界認為,這種差異源於隕石的母體形成時的位置。「原行星盤越靠近太陽的位置,溫度就越高,揮發性物質含量就越低,主要物質是非碳質固體物質;越遠離太陽的位置,溫度越低,主要物質是碳質物質。」劉倍貝指出,這兩類隕石的同位素含量也大相徑庭。

劉倍貝介紹,根據同位素測年法,隕石的形成時間橫跨整個原行星盤存在的階段(約為太陽系誕生之初的500萬年間),它們吸積的固體物質通常而言是流通的,因此它們在組分上應該呈現出一定的連續性。然而真實的觀測結果則是這兩類隕石的同位素呈現出兩極化,這一現象令天文學界尤為驚訝。

劉倍貝解釋道,這種兩極化的現象意味著在原行星盤中,可能存在大尺度、長時間的物質隔離。

「時間隔絕」讓隕石同位素兩極化

會不會有一種力量,讓原行星盤形成了彼此相互隔離的區域?有學者提出,這種力量或來自於太陽系中的「大兄長」——氣態巨行星木星,即「木星開溝」理論,這一理論或許可以解釋隕石成分兩極化的現象。

「木星開溝」理論提出,木星的固體核在太陽系誕生之初的100萬年內形成,它憑藉其巨大的質量和強大的引力,在氣體盤中開了一個「深溝」,完全阻斷了後續固體顆粒的內流,內外盤的固體物質自此隔絕。

劉倍貝對這一觀點存在疑問,如果木星真在氣體盤中開一個「深溝」,完全阻斷了後續固體顆粒的內流,那麼內盤非碳質固體顆粒物會因快速遷移而消耗殆盡。這樣一來,普通球粒隕石和頑火輝石球粒隕石的母體就沒有可以吸積的非碳質固體顆粒物,也就無法長大。

研究表明,這兩種球粒隕石形成於太陽系誕生后的兩到三百萬年間,說明非碳質固體顆粒物還是能長時間流通且存在於內盤區域。

相反地,如果木星開的「溝」不夠深,就不能有效地阻擋固體顆粒的遷移,內外盤的物質還是可以流通的,就不會出現兩類隕石同位素兩極化的現象。「『木星開溝』很難同時解釋我們得到的太陽系隕石形成年齡和同位素含量這兩大觀測數據。」劉倍貝說。

還有什麼物理機制能解釋隕石同位素的兩極化?有別於「木星開溝」導致的「空間尺度的隔絕」,研究人員嘗試從時間演化上的隔絕來解釋這一現象。

在太陽系的「童年時期」,原行星盤中的固體顆粒會源源不斷從外盤區域遷移流向內盤。研究人員提出,對這一過程的研究,應該充分考慮原行星盤中氣體的運動,這點在過去的工作中被忽視了。

原行星盤中的流體遵循著動量守恆原則,盤內側區域的氣體向內流,最後被太陽吸積。與此同時,外盤的氣體向外流,不斷地擴充著原行星盤的外部疆域。「就像漲潮的海水,不斷地向外吞噬岸邊的沙灘一樣。」劉倍貝說。

考慮原行星盤氣體外流效應之後,他們重新對盤內固體顆粒物的遷移狀況進行了模擬,結果顯示:在外盤氣體外流的推動下,固體顆粒物的遷移速率和方向發生了改變,它們最終進入內盤的時間被大大延長。

「我們發現,誕生之初位於25個日地距離以外的碳質固體顆粒,需要經過300萬年才會最終遷移進入內盤類地行星形成區。」劉倍貝說。

勾勒太陽系「童年期」的畫像

根據此次研究中指出的原行星盤氣體外流效應,3位研究人員重新「復盤」了太陽系「童年期」原行星盤內固體物質的演化:在太陽系誕生之際,原行星盤內的固體顆粒物分佈呈現較為明顯的兩極化,靠近太陽位置的內盤以非碳質固體顆粒為主;遠離太陽的外盤以碳質固體顆粒為主。在外盤的固體顆粒流入內盤之前,內盤非碳隕石(包括無球粒隕石、普通球粒隕石和頑火輝石球粒隕石)的母體們靠吸積耐火物質(熔點較高的難熔性物質)而形成。

與此同時,外盤的碳質球粒隕石母體靠吸積碳質固體顆粒逐漸長大。在約兩至三百萬年之後,碳質顆粒物最終遷移進入內盤。

「行星形成早期,位於內盤的火星和地球吸積的是非碳質固體顆粒。在約兩至三百萬年之後,碳質固體顆粒最終遷移進入內盤。此後地球和火星吸積碳質固體顆粒成長,因而它們的同位素含量是兩大類固體物質的混合。」劉倍貝說,這也解釋了觀測上的火星和地球同位素含量介於這兩類隕石之間的現象。

劉倍貝說,從現有的觀測出發,我們並不能對木星的形成時間給出更嚴格的限制。現今的木星位於距太陽5.2個日地距離處,木星形成的位置學界有兩種假說:一種認為木星為原位形成,成長過程中沒有大尺度的軌道遷移;另一種認為木星形成於外盤較遠處,距太陽大於10個日地距離。

「我們的模型更支持後者。」劉倍貝說,因為木星大氣中發現的諸多易揮發性元素如碳、磷、氮和氬,其含量均比太陽高出數倍之多,這一現象很難用原位形成理論解釋。相反,如果木星內核形成於行星盤外部較冷的區域,以上易揮發性元素均以固態的形式存在,它們被木星內核吸積后可外溢進入木星的大氣層,產生我們所觀測到的元素增豐。

此外,木星質量增長之餘也與原行星盤相互作用,產生向內的軌道遷移。木星內移的過程中,不斷地通過引力散射作用將沿途的碳質隕石母體送入內盤,產生了現今太陽系小行星帶特有的群體分佈和軌道構型。