lN-body模拟视频：在原行星盘周围，一群携带不同氧化还原“化学指纹”的小天体沿轨道碰撞、合并、迁移，最终像滚雪球一样长成地球和火星这样的类地行星
屏幕上，几个大小相似的圆球推挤、碰撞，随后彼此远离，个头逐渐变得大小不一——太阳系最初2亿年的演化，浓缩在一段43秒的模拟动画里。“这是火星。” 浙江大学孔智慧博士指着其中一个浅色小球说。过去2年，他所在的研究团队重点关注了一个问题：地球和火星，这对诞生于同一个“摇篮”里的兄弟，为什么最终成了性格迥异的“远亲”？
浙江大学、中国科学技术大学、香港大学、苏黎世联邦理工学院和加州理工学院的学者们合作，把当前的宇宙化学、天体物理与地球化学等方面的研究证据结合起来，为地球和火星梳理出一份完整的“成长档案”，在同一个动力学体系中重现两者从星子（planetesimal）成长为原行星（protoplanet）的全过程，指出太阳系早期的“分家”是两者命运分野的关键。
相关研究7月16日发表于Astronomy & Astrophysics杂志（《天文与天体物理》）。论文审稿人表示:该工作是呈现太阳系形成与演化的完整故事的重要论文之一。
地球和火星，个性大相径庭
地球和火星这对岩石“兄弟”有着显著差异：地球的质量约为火星质量的10倍；地球比火星“心大”，地核约占地球体积的三分之一，而火星约为五分之一；地球比火星更为还原，地球地幔中的氧化铁含量比火星少得多。
两“兄弟”为何如此不同？过去的几十年间，不同的学科提供了不同的“解题”思路。宇宙化学家通过研究陨石，希望弄清原始星盘中的物质分布情况；天体物理学家通过模拟碰撞和吸积，推演行星的运动变化；地球化学家则根据今天地球和火星保存下来的地质证据，分析几十亿年间的撞击事件和核幔分异。
l图：不同天体材料的Mg/Si 原子比：地球的硅酸盐部分（BSE）和火星（BSM & BM）彼此并不相同，说明两颗邻近行星在形成时吸积的物质来源和后续演化已经出现明显分化。更有意思的是，它们也没有简单落在任何一类已知陨石样本的位置上，暗示地球和火星并不是由某一种现存陨石“直接拼出来”的，而可能混合了多种来源，甚至包含今天陨石库中没有完整保存下来的早期太阳系物质。（来源：William F. McDonough ，2025)
“每一方面都很重要，同时我们需要统一的框架，能够将这些‘拼图’拼合起来，讲出一个完整的故事。”论文通讯作者、浙大物理学院百人计划研究员刘倍贝认为，地球和火星的差异是“多线程”的。能否把各个因素放到同一个框架中思考，“重现”地球和火星的成长轨迹呢？
同一个摇篮到分道扬镳
l图：AccreDiff研究框架示意
孔智慧把这个研究框架命名为“AccreDiff”——Accretion（吸积） 和Differentiation（分异）的结合。依托这个框架，过去行星科学家所关注的吸积、碰撞过程和地球化学家关注的核幔分异，被巧妙“缝合”在了一起，集中呈现在一段43秒的模拟动画中。我们可以重点关注其中的三个节点：
第一幕：共同的“摇篮”时期（46亿年前）。在太阳系形成的最早期，地球和火星都是原始行星盘中的不分彼此的星子。在如今地球轨道的位置（距离太阳一个天文单位，1AU）有一个物质富集的窄环。地球和火星都处于这个窄环中, 像两个胃口大开的孩子,疯狂“吸积”着周围的星子、不断长大。
第二幕：决定命运的“分家”（2-5百万年后）。火星从窄环被“散射”到了外围的物质稀疏地带，由于食物供给的来源急剧减少，火星明显减缓了长大的速度；而地球还留在了窄环里继续吸积长大。这是地球质量是火星质量10倍的主要原因。
第三幕：漫长的成年期（1.5亿年后）。随着气体盘在第二幕之后逐渐消散，地球步入了漫长的成年期。它又持续吸积了3000万到1.5亿年，经历了一系列剧烈的碰撞, 长成了今天的大小。
“动画里的每一帧代表了10万年，数千个星子在N-body动力学模型中自由演化的结果。”论文第一作者孔智慧博士介绍说，小圆球纵向的跳跃，代表的是行星碰撞后发生的轨道偏心率的变化。
为什么前5百万年是关键节点？
据介绍，模拟动画中的每一帧都拟合了宇宙化学、天天体动力学和地球化学的研究证据。比如，地球和火星形成的“舞台背景”参考了来自宇宙化学的研究，设定太阳系原始星盘是物质分布非均一的，靠近太阳的“窄环”物质密集区以还原性的物质为主，富含金属且含氧量低；而远离物质则更具氧化性。
孔智慧指出，在5百万年之前火星的胚胎从“窄环”散射到外围物质稀疏地带的“分家”事件，是造成地球和火星差异的关键节点。位置的变化，导致两者吸积的物质成分和质量的差异，并进一步影响到深部物质演化。
在行星间碰撞时，地球因为“块头大”，内部像一个高压熔炉，铁非常彻底地从地幔中分离出来，沉入深部，分离出一个巨大的地核；而火星： 因为块头小，内部的压强和温度较低，很多铁被锁在了岩石里，无法沉入火核。更多的以铁氧化物的形式留在了幔中。
“火星由于被早早散射到了外围，‘吃’得杂、长得小、压力低；而地球则在漫长地成长过程中驻留在了‘黄金地带’，吃得精、长得大、压力高，最终完成了彻底的核幔分异。”孔智慧说。
助力寻找下一个“地球”
长期以来，人们普遍认为地球和火星今天的巨大差异来源于它们的长期演化。但究竟哪些差异是在成长早期就已经注定，哪些又是在后来的几十亿年里逐渐形成，一直缺少一条完整、自洽的演化链条。
刘倍贝和他团队的研究则指出了这项研究表明，一个真正决定后续演化方向的关键阶段，发生在太阳系形成后的最初的500万年。后来的几十亿年更像是一场漫长的延续——两颗行星沿着已经分开的成长轨迹，各自长成了今天的模样。
l图：同一套行星形成模型不仅能长出“像地球”和“像火星”的质量差异，还能同时再现它们内部组成的分化。模拟中的地球类似体质量更大、地幔 Mg# 更高、核心质量分数也更大，说明更多金属铁进入核心，地幔相对更还原；火星类似体则质量小、Mg# 较低、核心比例较小，意味着更多铁以氧化物形式留在地幔中。也就是说，地球和火星今天的不同，不只是“长得一大一小”，而是从吸积路径、物质来源到核幔分异都走上了不同的演化道路。
研究团队认为，N-body模拟的各项等关键指标均落在观测约束范围内，达到了假设、模型与观测数据的自洽。但如何确定模拟中那成千上万次碰撞是真实发生过的？研究团队的办法很巧妙：他们在每一次虚拟碰撞之后，都让程序重新计算碰撞的化学痕迹——这次撞击带来了多少铁？多少氧？这些元素最终是沉入了地核，还是留在了地幔？因为每一次碰撞，都不只是在改变轨道和大小，还在改写这颗行星内部的化学成分。最终，只有那些能同时复现地球今天质量、轨道和地幔成分的模拟路径，才被认为是可信的。
接下来，科学家还需要接受更多行星、更多化学元素以及更多观测证据的检验，不断完善我们的模型。”当前，人类已经发现了数千颗系外行星。AccreDiff 不仅是解释了地球和火星。它还第一次建立了一座桥梁——把一颗行星今天的运动轨迹，与它内部的化学组成联系起来。未来，科学家或许能够根据一颗遥远行星的轨道、质发布量等信息，推测它拥有怎样的金属内核、怎样的地幔组成，甚至判断它的宜居性，是像地球一样生机勃勃, 还是像火星一样最终沉寂。
论文第一作者是孔智慧博士，通讯作者是刘倍贝研究员，合作者包括了浙大地球科学学院张舟副教授和夏群科教授。研究受到了浙江大学百人计划启动基金，国家重点研发项目等基金的支持。
转自求实风采。
