科學(xué)家從隕石中捕捉蛛絲馬跡 解密早期太陽(yáng)系的形成和演化

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

4月22日，《科學(xué)進(jìn)展》刊發(fā)他與丹麥哥本哈根大學(xué)和瑞典隆德大學(xué)學(xué)者合作新成果，研究者從隕石同位素含量?jì)蓸O化的現象入手，推演了太陽(yáng)系形成最初的五百萬(wàn)年間發(fā)生的故事。

研究者指出，原行星盤(pán)氣體的外流是一雙“看不見(jiàn)的手”，它參與了早期太陽(yáng)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(yáng)系天體形成的新模型。

解密早期太陽(yáng)系的形成和演化

劉倍貝要推演的歷史，聚焦于太陽(yáng)系誕生之初的五百萬(wàn)年，這是太陽(yáng)系的童年期：幼年太陽(yáng)還在成長(cháng)，它的周?chē)h(huán)繞著(zhù)一個(gè)扁平的氣體圓盤(pán)，也稱(chēng)為原行星盤(pán)，它就像行星們的共同“搖籃”，行星靠不斷吸積盤(pán)中漂浮的固體顆粒長(cháng)大。而作為“天外來(lái)客”的隕石——太陽(yáng)系里的小行星、彗星或行星撞擊地球后產(chǎn)生的碎片，它們的母體也形成于同一時(shí)期同一“搖籃”。

“隕石保留著(zhù)太陽(yáng)系童年期的原始信息。”劉倍貝說(shuō)，“我可以通過(guò)對隕石的研究，解密探索早期太陽(yáng)系形成和演化的過(guò)程。這有點(diǎn)像破案，需要大膽的想象和縝密的推理，把不同的案發(fā)線(xiàn)索串聯(lián)起來(lái)，還原事件的真相。”擺在劉倍貝等學(xué)者面前的確實(shí)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(zhì)成分上，隕石可分為炭質(zhì)隕石和非炭質(zhì)隕石。炭質(zhì)隕石含有更多的揮發(fā)性物質(zhì)，包括含碳有機物和水等，而非炭質(zhì)隕石則含有更多的難熔性金屬元素。

學(xué)界認為，這種的差異源于隕石的母體形成時(shí)的位置。“原行星盤(pán)越靠近太陽(yáng)的位置，溫度就越高，揮發(fā)性物質(zhì)含量就越低，以非炭質(zhì)固體物質(zhì)為主;越遠離太陽(yáng)，溫度越低，以炭質(zhì)物質(zhì)為主。”劉倍貝又從最近的研究中發(fā)現了一條新線(xiàn)索：這兩類(lèi)隕石的同位素含量也大相徑庭。

“沒(méi)有發(fā)現任何一塊隕石處于中間地帶。”劉倍貝說(shuō)，這種兩極化的現象令天文學(xué)界尤為驚訝。根據同位素測年法，隕石的形成時(shí)間橫跨整個(gè)原行星盤(pán)階段，它們吸積的固體物質(zhì)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(shí)觀(guān)測則是兩極化。

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

木星開(kāi)溝真的塑造了早期的太陽(yáng)系？

長(cháng)時(shí)間、大尺度的物質(zhì)隔離，讓人聯(lián)想到空間隔絕的可能性。會(huì )不會(huì )有一種力量，讓原行星盤(pán)形成了彼此相互隔離的區域?有學(xué)者提出，這種力量來(lái)自于太陽(yáng)系中的大兄長(cháng)氣態(tài)巨行星木星，即“木星開(kāi)溝”理論可以用來(lái)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(yáng)系誕生之初的一百萬(wàn)年內形成，它憑借其巨大的質(zhì)量和強大的引力，在氣體盤(pán)中開(kāi)一個(gè)深溝，完全阻斷后續固體顆粒的內流，內外盤(pán)的固體物質(zhì)自此隔絕。

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

“木星開(kāi)溝真的塑造了早期的太陽(yáng)系嗎?”劉倍貝提出了質(zhì)疑。最大的疑點(diǎn)來(lái)自于形成于內盤(pán)的兩種非炭質(zhì)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(pán)中開(kāi)一個(gè)深溝而完全阻斷后續固體顆粒的內流，則內外盤(pán)的固體物質(zhì)自此隔絕。那么內盤(pán)非炭質(zhì)固體顆粒物會(huì )因快速遷移而消耗殆盡。這樣一來(lái)，普通球粒隕石(OC)和頑火輝石球粒隕石(EC)的母體就沒(méi)有可以吸積的非炭質(zhì)固體顆粒物，就無(wú)法長(cháng)大了。”劉倍貝說(shuō)。隕石測年研究表明，O型和E型球粒隕石形成于太陽(yáng)系誕生后的兩到三百萬(wàn)年間，這說(shuō)明，非炭質(zhì)固體顆粒物還是能長(cháng)時(shí)間流通且存在于內盤(pán)區域。

相反地，如果木星開(kāi)的溝不夠深，就不能有效地阻擋固體顆粒的遷移，內外盤(pán)的物質(zhì)還是流通的，就無(wú)法導致兩類(lèi)隕石同位素的兩極化現象。“我們發(fā)現，‘木星開(kāi)溝’很難自洽地同時(shí)解釋太陽(yáng)系隕石形成年齡和同位素含量這兩大觀(guān)測。”劉倍貝說(shuō)。

重新審視太陽(yáng)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(shí)間演化上的隔絕來(lái)解釋隕石同位素的兩極化。

在太陽(yáng)系的童年時(shí)期，原行星盤(pán)中的固體顆粒因會(huì )源源不斷從外盤(pán)區域遷移流向內盤(pán)。劉倍貝和他的合作者提出，研究這一過(guò)程應該充分考慮行星盤(pán)中氣體的運動(dòng)，這一點(diǎn)在過(guò)去的工作中被忽視了。氣體盤(pán)中的流體遵循著(zhù)動(dòng)量守恒原則，盤(pán)內側區域的氣體向內流，最后被太陽(yáng)吸積。與此同時(shí)，外盤(pán)的氣體向外流，不斷地擴充著(zhù)盤(pán)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(shuō)。

考慮原行星盤(pán)氣體外流效應之后，他們重新對盤(pán)內固體顆粒物的遷移狀況進(jìn)行了模擬，結果顯示：在盤(pán)外部氣體外流的推動(dòng)下，固體顆粒物的遷移速率和方向發(fā)生改變。它們最終進(jìn)入內盤(pán)的時(shí)間被大大延長(cháng)了。

“我們發(fā)現，初始位于25個(gè)日地距離(AU)以外的炭質(zhì)固體顆粒需要經(jīng)過(guò)三百萬(wàn)年才會(huì )最終遷移進(jìn)入內盤(pán)類(lèi)地行星形成區。”劉倍貝說(shuō)。

劉倍貝用了一張圖表形象地展示了這一“復盤(pán)”：不同時(shí)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(zhù)不同隕石的同位素差異并不是空間上的隔絕，而是形成時(shí)間上的演化。”劉倍貝說(shuō)。

早期，位于內盤(pán)的火星和地球吸積的是非炭質(zhì)固體顆粒。在約兩至三百萬(wàn)年之后，炭質(zhì)顆粒物最終遷移進(jìn)入內盤(pán)。此后地球和火星吸積炭質(zhì)物質(zhì)長(cháng)大，因而它們的同位素含量是兩大類(lèi)固體物質(zhì)的混合。這也自洽地解釋諸如觀(guān)測上的火星和地球的同位素含量是介于這兩類(lèi)隕石之間。

劉倍貝說(shuō)，從現有的觀(guān)測出發(fā)，并不能對木星的形成時(shí)間給出更嚴格的限制?，F今的木星位于距太陽(yáng)5.2 AU處，木星形成的位置學(xué)界有兩種假說(shuō)。一種認為木星為原位形成，成長(cháng)過(guò)程中沒(méi)有大尺度的軌道遷移。另一種認為木星形成于外盤(pán)較遠處(10 AU 之外)。

“我們的模型更支持后者。”劉倍貝說(shuō)，因為木星大氣中發(fā)現的諸多易揮發(fā)性元素包括碳，磷，氮和氬其含量均比太陽(yáng)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(zhì)量增長(cháng)之余也與氣體盤(pán)相互作用，產(chǎn)生向內的軌道遷移。木星內移過(guò)程中不斷地散射沿途的炭質(zhì)隕石母體進(jìn)入內盤(pán)，產(chǎn)生了現今太陽(yáng)系小行星帶的特有的群體分布和軌道構型。(作者：崔雪芹 )

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關(guān)鍵詞： 早期太陽(yáng)系 隕石同位素 太陽(yáng)系天體 行星撞擊地球