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浙大学者从陨石中解密太阳系诞生历史——成果荣登《科学进展》

编辑: 时间:2022年04月24日 访问次数:1


我院刘倍贝研究员与丹麦哥本哈根大学和瑞典隆德大学的学者共同提出原行星盘气体外流效应导致了系陨石群同位素两极化现象,并构建了早期太阳系天体形成的新模型。这项成果在422日刊登于国际顶级期刊《科学进展》,刘倍贝研究员是论文的第一兼通讯作者,物理学院是第一单位。

夜空中偶有美丽的流星划过,它们是太空送给人类的珍贵礼物。流星坠入地表产生的碎片称为陨石,它们大部分来自小行星和彗星,携带着丰富的太阳系形成初期的信息。我们可以通过对陨石的研究,揭秘早太阳系形成和演化。左图展示流星划空而过,右图为阿帕利里克铁陨石,收藏于丹麦自然历史博物馆。

 

星际空间中的气体分子云坍缩,中心部分形成原恒星,残余物质绕恒星旋转形成一个扁平的气体圆盘,称原行星盘,是孕育行星的摇篮。原行星盘的寿命约为五百万年。我们通过同位素测年法得知太阳系中的诸多天体,包括星子(陨石母体),气态巨行星(木星,土星)和类地行星(火星)等均形成于该时间段内。

陨石从化学成分上可分为炭质陨石和非炭质陨石,前者含有更多的挥发性元素(含碳有机物和水),后者含有更多的难熔性金属元素(铁镍)。它们的成分差异被视为母体形成在距离太阳不同的位置处。越靠近太阳,温度越高,挥发性物质含量越低,吸积原料以非炭质为主;越远离太阳,温度越低,吸积原料以炭质为主。

最新研究发现这两类陨石的同位素含量也大相径庭,它们在诸如钛和铬的同位素组分上有着明显的两极化差异(图一)。同位素测年法发现这些陨石的形成时间横跨整个行星盘时期,太阳系诞生之初一直持续到其后四百万年。因为陨石吸积盘中固体颗粒成长,以上两极化现象极预示着早期原行星盘存在两大化学组分和同位素含量各异且彼此隔离的区域。

1:陨石的钛和铬元素的同位素含量分布图。红色和蓝色的分别代表非炭质型陨石和炭质陨石。这两类陨石的同位素含量非常不同,呈两极化分布。

    然而,固体颗粒在气体盘中因受阻力影响而损失动量,会源源不断从行星盘外区流向内区。因为固体颗粒物的流通性,在行星盘中存在如此大尺度,长时间的物质隔离是太阳系早期演化的一大难题。

有研究提出木星的快速形成并在气体盘中开沟可以解释上述现象。该模型要求木星固体核在一百万年内快速形成。刘倍贝研究员指出了该模型的局限性。首先,如果木星确实能在气体盘中开一个深沟而完全阻断后续固体颗粒的内流,则内外盘的固体物质自此隔绝。内盘非炭质固体颗粒物会因快速迁移而消耗殆尽。然而陨石测年研究表明形成于内盘的普通球粒陨石和顽火辉石球粒陨石(O型和E型球粒陨石)形成于太阳系诞生后两到三百万年间。这一事实也表明非炭质固体颗粒物能长时间流通且存在于内盘区域。与上述假设矛盾(见图二)。相反地,如果木星开的沟不够深,没能有效地阻挡固体颗粒的迁移,它可以解释O型和E型球粒陨石的形成时间。但如此一来内外盘的物质还是流通的,也就不会产生上述观测到的两类陨石同位素两极化现象。“所以我们发现早期木星形成假说很难自洽地同时解释太阳系陨石形成年龄和同位素含量这两大观测。”刘倍贝解释说。

    最新的数值模拟研究发现巨行星开沟对不同尺寸的固体颗粒屏蔽效应不同。毫米大小的卵石有效地被阻挡在沟壑之外,而微米大小的尘埃能随气体一起运动,源源不断地流向内盘。“木星在盘中的气体沟就好比一个过滤器,大尺寸的杂质能被有效拦住,小尺寸的杂质成了漏网之鱼”刘倍贝举例说。

即然早期木星形成模型解释不了观测到的陨石同位素二极化,又是什么物理机制能产生上述现象呢?刘倍贝指出前人的工作没有充分考虑了行星盘中气体的运动,默认气体内流速度远小于固体颗粒的迁移速度。然而,气体盘中的动量通过湍流不稳定转移。内盘的气体内流被太阳吸积,根据动量守恒,外盘气体外流,盘的外部疆域不断向外扩张。就像涨潮时海水不断外溢淹没岸边的陆地。

    刘倍贝及合作者重新思考了上述问题,考虑了固体颗粒物在气体盘中的运动受到气体流速大小和方向的影响。他们发现受气体外流影响,固体颗粒的最终进入内盘类地行星形成区的时间大大延长了。 模拟结果显示初始位于25个日地距离(AU)以外的炭质卵石需要经过三百万年才会最终迁移进入内盘类地行星形成区(图三)。在他们流入内盘之前,成长于该区域的无球粒陨石,普通球粒陨石和顽火辉石球粒陨石母体们靠吸积耐火物质而形成;炭质球粒陨石母体形成于外盘,吸积炭质颗粒物长大。在三百万年之后,炭质颗粒物最终迁移进入内盘。以上图像可以解释在不同时期形成于不同位置的陨石母体内同位素含量的差异。“重要的是,该模型预示着不同陨石的同位素差异并不是空间上的隔绝,而是形成时间上的演化。”刘倍贝说。

    该模型的另一个优点是可以很好地解释类地行星的同位素含量。早期的火星和地球吸积的固体物质为非炭质。在三百万年之后,炭质颗粒物最终迁移进入内盘,此后地球和火星吸积炭质物质长大,因而它们的同位素含量是两大类固体物质的混合。这也自洽地解释诸如观测上的火星和地球的同位素含量是介于这两类陨石之间。

 

    最后回顾木星。从现有的观测出发,我们并不能对木星的形成时间给出更严格的限制。现今的木星位于距太阳5.2 AU处,关于木星形成的位置学界有两种假说。一种认为木星为原位形成,成长过程中没有大尺度的轨道迁移。另一种认为木星形成于外盘较远处(10 AU 之外)。我们的模型更支持后者。因为木星大气中发现的诸多易挥发性元素包括碳、磷、氮和氩其含量均比太阳高出数倍之多,这一现象很难被原位形成理论解释。相反地,在行星盘外部较冷的区域,以上挥发元素均以固态的形式存在,被木星内核吸积。后续这类挥发性物质外溢进入大气包层,产生上述增丰现象。此外,木星质量增长之余也与气体盘相互作用,产生向内的轨道迁移。木星内移过程中不断地散射沿途的炭质陨石母体进入内盘,产生了现今太阳系小行星带的特有的群体分布和轨道构型。

刘倍贝博士自2020年任职浙大物理学院百人计划研究员,研究涵盖了天体物理学和行星科学的交叉前沿,深入探究行星起源、演化和构型,通过理论和数值模拟来阐释太阳系和系外行星的观测特性。本研究受到国家自然科学基金面上项目和浙江大学百人计划启动基金的资助。