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地球诞生新说:或是鹅卵石碰撞融合而成

2018-05-16 16:10   来源: 成都全搜索新闻网   编辑: 高赛琦   责任编辑: 马兰

本文选自 网易科学人 文/小小

在我们太阳系早期,行星最快的形成方式坑是大量小型天体(而非巨大天体)互相碰撞融合而成。

艺术渲染图,一颗恒星被原行星盘包围

大约45亿年前,太阳系堪称是个充满行星幼儿的托儿所。在年轻的太阳周围,旋转着一个由太阳系诞生而留下的气体和尘埃构成的圆盘。环绕在轨道圆盘内的是星子(planetesimals,即直径约1至100千米的岩石天体),以及直径约1000千米的更大原行星。这就好像一群不同大小的孩子被关进了同一个房间。

像所有的托儿所一样,这是个吵闹不堪的地方。星子呼啸而过,偶尔会撞到一起。尘埃和岩石碎片迅速地穿过灾区。花了几百万年的时间,这种学龄前的混乱才稳定下来,今天的大部分行星就此形成。科学家们过去认为,行星是由星子相互碰撞和融合形成的,就像培乐多泥胶玩具那样。但事实证明,这一过程耗时时间太长。所以天文学家最近提出了一种新说,来解释小行星的形成过程。

计算机模拟显示,在布满尘埃的圆盘内,有许多鹅卵石状小型天体会附着在不断壮大的原行星上。这些小天体迅速地结合在一起,使得原行星迅速成长为成熟的行星,就像一个孩子突然间获得足够的重量,成为一个成年人。这一理论被称为“鹅卵石加积”(pebbleaccretion)假说,正在重塑科学家们对早期太阳系形成的看法。此外,它也开启了新的研究方向,比如探索行星如何围绕除了太阳外的其他恒星形成的。

瑞典隆德大学的天文学家、该理论的合著者迈克尔·兰布雷希茨(Michiel Lambrechts)说:“这些天体的形成更加快速轻松,鹅卵石加积假说提供了很多问题的解决方案。”在这些问题中,首要的问题是,在尘埃盘耗尽所需原料之前行星是如何形成的?模型表明,当尘埃盘中的气体蒸发,其尘埃螺旋进入新生太阳的引力中时,它将会在大约100万到1000万年时间里消失。

在尘埃盘消失之前,最大的行星(比如木星和土星)会以某种方式聚集大约10个地球质量的核心。通过星子碰撞融合形成行星的时间太长了,因为星子通常会在没有被重力捕获的情况下,急速飞过婴儿行星。而另一方面,小型鹅卵石天体很容易被原行星的引力捕获,它们的积累可以帮助在100万年左右的时间里形成一颗行星。

天文学家们知道这样的小鹅卵石天体是存在的,因为他们已经看到它们在小恒星周围运行。射电望远镜(例如位于新墨西哥州索科罗附近的大型阵列),通过在电波中发光的方式测量了原行星尘埃盘中粒子的大小。这些圆盘中通常含有大量的鹅卵石天体。在某些情况下,相当于数百个地球质量的物体慢慢向恒星漂移。

当较小的尘埃颗粒碰撞合并时,鹅卵石就形成了。兰德大学天文学家、“鹅卵石加积”理论的另一位合著者安德斯·约翰森(Anders Johansen)说:“圆盘上的大部分尘埃变成了鹅卵石。”他把原行星盘称为“鹅卵石工厂”。

大约在2010年时,约翰森和兰布雷希茨产生好奇,想知道这些鹅卵石与行星诞生之间的关系。他们开始了一系列的计算,包括关于鹅卵石如何与漂浮在原行星盘上的其他大碎石块的相互作用。令约翰森和兰布雷希茨吃惊的是,他们发现鹅卵石可以迅速地覆盖到一颗原行星上。

关键在于摩擦。想象一下,鹅卵石流在直径100千米的原行星表面飞驰而过。当鹅卵石穿过圆盘中的气体时,摩擦力使它们减速到足以被原行星引力场捕获的程度。

鹅卵石开始绕着更大的岩石天体旋转,很快就会与其表面相撞。每一次碰撞都增加一小部分质量。在这样的碰撞中,原行星会快速增长,达到直径1000千米以上。兰布雷希茨说:“从很多方面来看,鹅卵石加积是增加原行星质量的最有效方法。”如果一个原行星盘包含相等的岩石块,即半数星子半数鹅卵石,那么鹅卵石比星子的效率高1000倍。约翰森和兰布雷希在2012年开始的一系列论文中报告了他们的初步想法,并在去年的《地球与行星科学年鉴》上发表了综述文章。

鹅卵石加积假说有助于解释许多关于太阳系特性的问题。比如,现在环绕木星运行的美国宇航局“朱诺号”探测器发现,这个气态巨行星的核心比科学家预期的要大得多,也更分散。约翰森认为,这可能意味着鹅卵石加积假说在发挥作用,这也是在尘埃盘消散之前,在可利用的时间内形成行星核心的唯一方法。

鹅卵石加积假说也阐明了天王星和海王星形成的长期秘密。令人费解的是,这些冰态巨行星以巨大的内核开始形成,而不像木星和土星那样以大量的气体形式存在。幼儿期的木星和土星最终到达了可被称为“鹅卵石隔离质量”的临界点,它们在这个期间已经足够大,可以在周围的气体中产生压力碰撞,把任何接近的鹅卵石推开。一旦它们停止吞噬鹅卵石,木星和土星就开始吸入气体。相比之下,天王星和海王星从来没有达到“鹅卵石隔离质量”,反而增加了轨道距离。为此,它们变成了“冰巨人”而不是“气巨人”。

在太阳系之外,鹅卵石加积作用也解释了许多奥秘,比如行星在离恒星很远的距离形成。例如,飞马座中年轻的恒星HR 8799(距离地球约129光年),它有4颗比木星更大的行星,它们距离恒星的轨道距离是地球到太阳距离的68倍。相比之下,木星的轨道距离大约是地球到太阳距离的5倍。

约翰森和兰布雷希茨的计算机模拟表明,这些行星可能形成于更远的地方,并把鹅卵石卷入其中,随着朝着现在的轨道旋转,它们的体型变得越来越大。整个过程可能发生在原行星盘的生命周期中。这在旧有理论中是不可能发生的,因为在那么远的距离没有足够的星子来有效地加积。

一个更大的问题仍然没有答案,即最初的原行星从何而来?一种可能是被称为“雪线”(snow line)的地方,即可以让液态水结冰的恒星距离。在那里,尘埃和鹅卵石的物理性质发生了变化,因为它们经历了从湿到干的过程。它们开始聚集起来,不像其他恒星环绕的圆盘,它们可以形成更大的体积,充当其他鹅卵石加积的行星种子。

苏黎世大学天体物理学家乔安娜·德拉科斯卡(Joanna Dr??kowska)说最近表示,这使“雪线”称为首颗原行星诞生的最佳地点。当这些最初的原行星形成之后,它们就可以开始在圆盘上吞噬其他鹅卵石。这种情况可能发生在最著名的行星系统之一身上,即拥有7颗类地行星的恒星TRAPPIST-1,它距离地球39光年。

阿姆斯特丹大学天文学家克里斯·奥梅尔(Chris Ormel)和他的同事们最近计算出,原行星开始在恒星周围的“雪线”上形成,然后通过吸积鹅卵石迅速生长。由于重力对周围圆盘的影响,这些刚刚诞生的行星在与地球体积相当的时候停止壮大。奥梅尔称:“这个特殊的系统很难用经典理论来解释,但却符合鹅卵石加积假说。”

兰布雷希茨表示,随着天文学家发现越来越多的行星和恒星,鹅卵石加积假说可以帮助他们理解更多行星是如何进化的,它使所有的行星形成更具活力。 (小小)

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