武仙座流星雨即將來臨 “天外來客”講述太陽系“童年”故事

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?jī)蓸O化的現(xiàn)象入手，推演太陽系形成之初的500萬年間發(fā)生的故事，并據(jù)此構(gòu)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(chǎng)視覺盛宴。但其實(shí)流星的背后，還可能包含著解開太陽系身世之謎的種種線索。在天文學(xué)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?cè)噲D從隕石中捕捉各種蛛絲馬跡，揭開藏在太陽系漫長(zhǎng)演化歷程中的種種謎團(tuán)。

近日，《科學(xué)·進(jìn)展》雜志刊登了浙江大學(xué)物理學(xué)院研究員劉倍貝與丹麥哥本哈根大學(xué)、瑞典隆德大學(xué)學(xué)者的聯(lián)合研究成果——從隕石同位素含量?jī)蓸O化的現(xiàn)象入手，推演太陽系形成之初500萬年間發(fā)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(jù)此，他們構(gòu)建出早期太陽系天體形成的新模型。

隕石成分不均是關(guān)鍵線索

讓我們將時(shí)間線推回到太陽系誕生后的500萬年間，彼時(shí)的太陽系正處“童年期”，太陽周圍環(huán)繞著一個(gè)扁平的氣體圓盤。這個(gè)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?？杀怀砷L(zhǎng)中的行星所吸積。

太陽系里的小行星、彗星或行星撞擊后產(chǎn)生的碎片即隕石，它們的母體也形成于同一時(shí)期、同一“搖籃”——原行星盤?？茖W(xué)家可以通過對(duì)隕石進(jìn)行研究，探索早期太陽系形成和演化的過程。

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

學(xué)界認(rèn)為，這種差異源于隕石的母體形成時(shí)的位置。“原行星盤越靠近太陽的位置，溫度就越高，揮發(fā)性物質(zhì)含量就越低，主要物質(zhì)是非碳質(zhì)固體物質(zhì);越遠(yuǎn)離太陽的位置，溫度越低，主要物質(zhì)是碳質(zhì)物質(zhì)。”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(jù)同位素測(cè)年法，隕石的形成時(shí)間橫跨整個(gè)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(zhì)通常而言是流通的，因此它們?cè)诮M分上應(yīng)該呈現(xiàn)出一定的連續(xù)性。然而真實(shí)的觀測(cè)結(jié)果則是這兩類隕石的同位素呈現(xiàn)出兩極化，這一現(xiàn)象令天文學(xué)界尤為驚訝。

劉倍貝解釋道，這種兩極化的現(xiàn)象意味著在原行星盤中，可能存在大尺度、長(zhǎng)時(shí)間的物質(zhì)隔離。

“時(shí)間隔絕”讓隕石同位素兩極化

會(huì)不會(huì)有一種力量，讓原行星盤形成了彼此相互隔離的區(qū)域?有學(xué)者提出，這種力量或來自于太陽系中的“大兄長(zhǎng)”——氣態(tài)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(xiàn)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(nèi)形成，它憑借其巨大的質(zhì)量和強(qiáng)大的引力，在氣體盤中開了一個(gè)“深溝”，完全阻斷了后續(xù)固體顆粒的內(nèi)流，內(nèi)外盤的固體物質(zhì)自此隔絕。

劉倍貝對(duì)這一觀點(diǎn)存在疑問，如果木星真在氣體盤中開一個(gè)“深溝”，完全阻斷了后續(xù)固體顆粒的內(nèi)流，那么內(nèi)盤非碳質(zhì)固體顆粒物會(huì)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(zhì)固體顆粒物，也就無法長(zhǎng)大。

研究表明，這兩種球粒隕石形成于太陽系誕生后的兩到三百萬年間，說明非碳質(zhì)固體顆粒物還是能長(zhǎng)時(shí)間流通且存在于內(nèi)盤區(qū)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(nèi)外盤的物質(zhì)還是可以流通的，就不會(huì)出現(xiàn)兩類隕石同位素兩極化的現(xiàn)象。“‘木星開溝’很難同時(shí)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(cè)數(shù)據(jù)。”劉倍貝說。

還有什么物理機(jī)制能解釋隕石同位素的兩極化?有別于“木星開溝”導(dǎo)致的“空間尺度的隔絕”，研究人員嘗試從時(shí)間演化上的隔絕來解釋這一現(xiàn)象。

在太陽系的“童年時(shí)期”，原行星盤中的固體顆粒會(huì)源源不斷從外盤區(qū)域遷移流向內(nèi)盤。研究人員提出，對(duì)這一過程的研究，應(yīng)該充分考慮原行星盤中氣體的運(yùn)動(dòng)，這點(diǎn)在過去的工作中被忽視了。

原行星盤中的流體遵循著動(dòng)量守恒原則，盤內(nèi)側(cè)區(qū)域的氣體向內(nèi)流，最后被太陽吸積。與此同時(shí)，外盤的氣體向外流，不斷地?cái)U(kuò)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(yīng)之后，他們重新對(duì)盤內(nèi)固體顆粒物的遷移狀況進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示：在外盤氣體外流的推動(dòng)下，固體顆粒物的遷移速率和方向發(fā)生了改變，它們最終進(jìn)入內(nèi)盤的時(shí)間被大大延長(zhǎng)。

“我們發(fā)現(xiàn)，誕生之初位于25個(gè)日地距離以外的碳質(zhì)固體顆粒，需要經(jīng)過300萬年才會(huì)最終遷移進(jìn)入內(nèi)盤類地行星形成區(qū)。”劉倍貝說。

勾勒太陽系“童年期”的畫像

根據(jù)此次研究中指出的原行星盤氣體外流效應(yīng)，3位研究人員重新“復(fù)盤”了太陽系“童年期”原行星盤內(nèi)固體物質(zhì)的演化：在太陽系誕生之際，原行星盤內(nèi)的固體顆粒物分布呈現(xiàn)較為明顯的兩極化，靠近太陽位置的內(nèi)盤以非碳質(zhì)固體顆粒為主;遠(yuǎn)離太陽的外盤以碳質(zhì)固體顆粒為主。在外盤的固體顆粒流入內(nèi)盤之前，內(nèi)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(zhì)(熔點(diǎn)較高的難熔性物質(zhì))而形成。

與此同時(shí)，外盤的碳質(zhì)球粒隕石母體靠吸積碳質(zhì)固體顆粒逐漸長(zhǎng)大。在約兩至三百萬年之后，碳質(zhì)顆粒物最終遷移進(jìn)入內(nèi)盤。

“行星形成早期，位于內(nèi)盤的火星和地球吸積的是非碳質(zhì)固體顆粒。在約兩至三百萬年之后，碳質(zhì)固體顆粒最終遷移進(jìn)入內(nèi)盤。此后地球和火星吸積碳質(zhì)固體顆粒成長(zhǎng)，因而它們的同位素含量是兩大類固體物質(zhì)的混合。”劉倍貝說，這也解釋了觀測(cè)上的火星和地球同位素含量介于這兩類隕石之間的現(xiàn)象。

劉倍貝說，從現(xiàn)有的觀測(cè)出發(fā)，我們并不能對(duì)木星的形成時(shí)間給出更嚴(yán)格的限制。現(xiàn)今的木星位于距太陽5.2個(gè)日地距離處，木星形成的位置學(xué)界有兩種假說：一種認(rèn)為木星為原位形成，成長(zhǎng)過程中沒有大尺度的軌道遷移;另一種認(rèn)為木星形成于外盤較遠(yuǎn)處，距太陽大于10個(gè)日地距離。

“我們的模型更支持后者。”劉倍貝說，因?yàn)槟拘谴髿庵邪l(fā)現(xiàn)的諸多易揮發(fā)性元素如碳、磷、氮和氬，其含量均比太陽高出數(shù)倍之多，這一現(xiàn)象很難用原位形成理論解釋。相反，如果木星內(nèi)核形成于行星盤外部較冷的區(qū)域，以上易揮發(fā)性元素均以固態(tài)的形式存在，它們被木星內(nèi)核吸積后可外溢進(jìn)入木星的大氣層，產(chǎn)生我們所觀測(cè)到的元素增豐。

此外，木星質(zhì)量增長(zhǎng)之余也與原行星盤相互作用，產(chǎn)生向內(nèi)的軌道遷移。木星內(nèi)移的過程中，不斷地通過引力散射作用將沿途的碳質(zhì)隕石母體送入內(nèi)盤，產(chǎn)生了現(xiàn)今太陽系小行星帶特有的群體分布和軌道構(gòu)型。(洪恒飛周煒 記者江耘)

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