木星開溝真的塑造早期太陽系？重新審視太陽系的童年

仰望星空，或有美麗流星劃過夜空。一群進行太陽系考古的學者，要從隕石中捕捉各種蛛絲馬跡，嘗試推演太陽系漫長歷程中的一幕幕尚不為人知的故事。浙江大學物理學院研究員劉倍貝正是這群人中的一員。

4月22日，《科學進展》刊發他與丹麥哥本哈根大學和瑞典隆德大學學者合作新成果，研究者從隕石同位素含量兩極化的現象入手，推演了太陽系形成最初的五百萬年間發生的故事。

研究者指出，原行星盤氣體的外流是一雙“看不見的手”，它參與了早期太陽系的塑造，影響了小天體和行星的形成。劉倍貝及合作者據此構建了早期太陽系天體形成的新模型。

解密早期太陽系的形成和演化

劉倍貝要推演的歷史，聚焦于太陽系誕生之初的五百萬年，這是太陽系的童年期：幼年太陽還在成長，它的周圍環繞著一個扁平的氣體圓盤，也稱為原行星盤，它就像行星們的共同“搖籃”，行星靠不斷吸積盤中漂浮的固體顆粒長大。而作為“天外來客”的隕石——太陽系里的小行星、彗星或行星撞擊地球后產生的碎片，它們的母體也形成于同一時期同一“搖籃”。

“隕石保留著太陽系童年期的原始信息。”劉倍貝說，“我可以通過對隕石的研究，解密探索早期太陽系形成和演化的過程。這有點像破案，需要大膽的想象和縝密的推理，把不同的案發線索串聯起來，還原事件的真相。”擺在劉倍貝等學者面前的確實有一樁“大案”：隕石的同位素含量存在明顯的兩極化，涇渭分明的現象。

從物質成分上，隕石可分為炭質隕石和非炭質隕石。炭質隕石含有更多的揮發性物質，包括含碳有機物和水等，而非炭質隕石則含有更多的難熔性金屬元素。

學界認為，這種的差異源于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，以非炭質固體物質為主;越遠離太陽，溫度越低，以炭質物質為主。”劉倍貝又從最近的研究中發現了一條新線索：這兩類隕石的同位素含量也大相徑庭。

“沒有發現任何一塊隕石處于中間地帶。”劉倍貝說，這種兩極化的現象令天文學界尤為驚訝。根據同位素測年法，隕石的形成時間橫跨整個原行星盤階段，它們吸積的固體物質通常而言是相互流通的，它們在組分上應該呈現一定的連續性，然而真實觀測則是兩極化。

“它在告訴我們什么呢?”劉倍貝說，兩極化的現象提示了在原行星盤中可能存在大尺度、長時間的物質隔離，這是人們在研究太陽系早期演化中碰到的一大難題。

木星開溝真的塑造了早期的太陽系？

長時間、大尺度的物質隔離，讓人聯想到空間隔絕的可能性。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，這種力量來自于太陽系中的大兄長氣態巨行星木星，即“木星開溝”理論可以用來解釋隕石成分兩極化的現象。

他們認為，木星的固體核在太陽系誕生之初的一百萬年內形成，它憑借其巨大的質量和強大的引力，在氣體盤中開一個深溝，完全阻斷后續固體顆粒的內流，內外盤的固體物質自此隔絕。

最近幾年的天文觀測也捕捉到了“巨行星開溝”的證據。ALMA射電望遠鏡陣列觀測到的AS 209系統的原行星盤，位于距地球410光年外的蛇夫座。該行星盤顯示出明顯的環狀溝壑，中間深色的暗溝被認為由類似于木星的巨行星“開溝”導致。

“木星開溝真的塑造了早期的太陽系嗎?”劉倍貝提出了質疑。最大的疑點來自于形成于內盤的兩種非炭質隕石，普通球粒隕石(OC)和頑火輝石球粒隕石(EC)。

“如果木星真在氣體盤中開一個深溝而完全阻斷后續固體顆粒的內流，則內外盤的固體物質自此隔絕。那么內盤非炭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(OC)和頑火輝石球粒隕石(EC)的母體就沒有可以吸積的非炭質固體顆粒物，就無法長大了。”劉倍貝說。隕石測年研究表明，O型和E型球粒隕石形成于太陽系誕生后的兩到三百萬年間，這說明，非炭質固體顆粒物還是能長時間流通且存在于內盤區域。

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，內外盤的物質還是流通的，就無法導致兩類隕石同位素的兩極化現象。“我們發現，‘木星開溝’很難自洽地同時解釋太陽系隕石形成年齡和同位素含量這兩大觀測。”劉倍貝說。

重新審視太陽系的童年

還有什么物理機制解釋隕石的兩極化呢?劉倍貝提出了一種全新的想法，從時間演化上的隔絕來解釋隕石同位素的兩極化。

在太陽系的童年時期，原行星盤中的固體顆粒因會源源不斷從外盤區域遷移流向內盤。劉倍貝和他的合作者提出，研究這一過程應該充分考慮行星盤中氣體的運動，這一點在過去的工作中被忽視了。氣體盤中的流體遵循著動量守恒原則，盤內側區域的氣體向內流，最后被太陽吸積。與此同時，外盤的氣體向外流，不斷地擴充著盤的外部疆域。“就像漲潮的海水，不斷地向外吞噬岸邊的沙灘。”劉倍貝說。

考慮原行星盤氣體外流效應之后，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：在盤外部氣體外流的推動下，固體顆粒物的遷移速率和方向發生改變。它們最終進入內盤的時間被大大延長了。

“我們發現，初始位于25個日地距離(AU)以外的炭質固體顆粒需要經過三百萬年才會最終遷移進入內盤類地行星形成區。”劉倍貝說。

劉倍貝用了一張圖表形象地展示了這一“復盤”：不同時期、不同位置的隕石母體以及它們的同位素含量的差異。“重要的是，該模型預示著不同隕石的同位素差異并不是空間上的隔絕，而是形成時間上的演化。”劉倍貝說。

早期，位于內盤的火星和地球吸積的是非炭質固體顆粒。在約兩至三百萬年之后，炭質顆粒物最終遷移進入內盤。此后地球和火星吸積炭質物質長大，因而它們的同位素含量是兩大類固體物質的混合。這也自洽地解釋諸如觀測上的火星和地球的同位素含量是介于這兩類隕石之間。

劉倍貝說，從現有的觀測出發，并不能對木星的形成時間給出更嚴格的限制。現今的木星位于距太陽5.2 AU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于外盤較遠處(10 AU 之外)。

“我們的模型更支持后者。”劉倍貝說，因為木星大氣中發現的諸多易揮發性元素包括碳，磷，氮和氬其含量均比太陽高出數倍之多，這一現象很難被原位形成理論解釋。

此外，木星質量增長之余也與氣體盤相互作用，產生向內的軌道遷移。木星內移過程中不斷地散射沿途的炭質隕石母體進入內盤，產生了現今太陽系小行星帶的特有的群體分布和軌道構型。(作者：崔雪芹 )

標簽： 早期太陽系 木星開溝 太陽系天體 行星撞擊地球