流星劃過(guò)夜空，隱藏在絢麗外觀之下的，是解開太陽(yáng)系身世之謎的種種線索。

4月22日，《科學(xué)進(jìn)展》刊登了浙江大學(xué)物理學(xué)院劉倍貝研究員與丹麥哥本哈根大學(xué)、瑞典隆德大學(xué)學(xué)者的聯(lián)合研究成果——從隕石同位素含量?jī)蓸O化的現(xiàn)象入手，推演了太陽(yáng)系形成之初的五百萬(wàn)年間發(fā)生的故事。

他們提出，原行星盤氣體的外流像一雙“看不見的手”，參與了早期太陽(yáng)系的塑造，影響了小天體和行星的形成。據(jù)此，他們構(gòu)建出了早期太陽(yáng)系早期天體形成的新模型。

隕石成分不均是關(guān)鍵線索

將時(shí)間線追溯到太陽(yáng)系誕生后的五百萬(wàn)年間，彼時(shí)的太陽(yáng)系正處“童年期”，它的周圍環(huán)繞著一個(gè)扁平的氣體圓盤。這一氣體圓盤被稱為原行星盤，像行星們的共同“搖籃”，其自身漂浮的固體顆粒，可為行星成長(zhǎng)所吸積。

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”。可以通過(guò)對(duì)隕石的研究，探索早期太陽(yáng)系形成和演化的過(guò)程，解密過(guò)程好比破案。

按照物質(zhì)成分，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(jī)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(rèn)為，這種的差異源于隕石的母體形成時(shí)的位置。

“原行星盤越靠近太陽(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(yuǎn)離太陽(yáng)，溫度越低，以炭質(zhì)物質(zhì)為主。”劉倍貝根據(jù)研究，發(fā)現(xiàn)了一條新線索：這兩類隕石的同位素含量也大相徑庭。例如，從鈦和鉻的同位素角度分類，這兩大類隕石呈現(xiàn)明顯的分界。

“沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何一塊隕石處于中間地帶。”劉倍貝介紹，根據(jù)同位素測(cè)年法，隕石的形成時(shí)間橫跨整個(gè)原行星盤階段，它們吸積的固體物質(zhì)通常而言是相互流通的，它們?cè)诮M分上應(yīng)該呈現(xiàn)一定的連續(xù)性，然而真實(shí)觀測(cè)則是兩極化，這一現(xiàn)象令天文學(xué)界尤為驚訝。

劉倍貝解釋道，兩極化的現(xiàn)象提示了在原行星盤中可能存在大尺度、長(zhǎng)時(shí)間的物質(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，讓原行星盤形成了彼此相互隔離的區(qū)域?有學(xué)者提出，這種力量來(lái)自于太陽(yáng)系中的“大兄長(zhǎng)”氣態(tài)巨行星木星，即“木星開溝”理論或許可以解釋隕石成分兩極化的現(xiàn)象。

組成物質(zhì)的流動(dòng)有時(shí)間差

“木星開溝”理論提出，木星的固體核在太陽(yáng)系誕生之初的一百萬(wàn)年內(nèi)形成，它憑借其巨大的質(zhì)量和強(qiáng)大的引力，在氣體盤中開一個(gè)深溝，完全阻斷后續(xù)固體顆粒的內(nèi)流，內(nèi)外盤的固體物質(zhì)自此隔絕。

劉倍貝對(duì)此拋出疑問(wèn)，如果木星真在氣體盤中開一個(gè)深溝而完全阻斷后續(xù)固體顆粒的內(nèi)流，則內(nèi)外盤的固體物質(zhì)自此隔絕。那么內(nèi)盤非炭質(zhì)固體顆粒物會(huì)因快速遷移而消耗殆盡。這樣一來(lái)，普通球粒隕石和頑火輝石球粒隕石的母體就沒(méi)有可以吸積的非炭質(zhì)固體顆粒物，就無(wú)法長(zhǎng)大。

隕石測(cè)年研究表明，這兩種球粒隕石形成于太陽(yáng)系誕生后的兩到三百萬(wàn)年間，說(shuō)明非炭質(zhì)固體顆粒物還是能長(zhǎng)時(shí)間流通且存在于內(nèi)盤區(qū)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(nèi)外盤的物質(zhì)還是流通的，就無(wú)法導(dǎo)致兩類隕石同位素的兩極化現(xiàn)象。“‘木星開溝’很難同時(shí)解釋我們采集、分析得到的太陽(yáng)系隕石形成年齡和同位素含量這兩大觀測(cè)數(shù)據(jù)。”劉倍貝說(shuō)。

還有什么物理機(jī)制能解釋隕石同位素的兩極化?有別于“木星開溝”導(dǎo)致的“空間尺度的隔絕”視角，研究人員嘗試從時(shí)間演化上的隔絕來(lái)解釋。

在太陽(yáng)系的童年時(shí)期，原行星盤中的固體顆粒因會(huì)源源不斷從外盤區(qū)域遷移流向內(nèi)盤。他們提出，研究這一過(guò)程應(yīng)該充分考慮行星盤中氣體的運(yùn)動(dòng)，這點(diǎn)在過(guò)去的工作中被忽視了。

氣體盤中的流體遵循著動(dòng)量守恒原則，盤內(nèi)側(cè)區(qū)域的氣體向內(nèi)流，最后被太陽(yáng)吸積。與此同時(shí)，外盤的氣體向外流，不斷地?cái)U(kuò)充著氣體盤的外部疆域。“就像漲潮的海水，不斷地向外吞噬岸邊的沙灘。”劉倍貝表示。

考慮原行星盤氣體外流效應(yīng)之后，他們重新對(duì)盤內(nèi)固體顆粒物的遷移狀況進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示，在盤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(nèi)盤的時(shí)間被大大延長(zhǎng)。

“我們發(fā)現(xiàn)，初始位于25個(gè)日地距離以外的炭質(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(nèi)盤類地行星形成區(qū)。”劉倍貝說(shuō)。

勾勒太陽(yáng)系“童年期”的畫像

根據(jù)此次研究中指出的原行星盤氣體外流效應(yīng)，三位研究人員重新“復(fù)盤”了太陽(yáng)系“童年期原”行星盤內(nèi)的固體物質(zhì)的演化：在太陽(yáng)系誕生之際，原行星盤內(nèi)的固體顆粒物分布呈現(xiàn)較為明顯的兩極化，靠近太陽(yáng)的位置內(nèi)盤以非炭質(zhì)固體顆粒為主;遠(yuǎn)離太陽(yáng)的外盤以炭質(zhì)為主。在外盤的固體顆粒流入內(nèi)盤之前，內(nèi)盤非炭隕石(包括無(wú)球粒隕石、普通球粒隕石和頑火輝石球粒隕石)的母體們靠吸積耐火物質(zhì)而形成。

與此同時(shí)，外盤的炭質(zhì)球粒隕石母體吸積炭質(zhì)顆粒物逐漸長(zhǎng)大。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(nèi)盤。

“早期，位于內(nèi)盤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(nèi)盤。此后地球和火星吸積炭質(zhì)物質(zhì)長(zhǎng)大，因而它們的同位素含量是兩大類固體物質(zhì)的混合。” 劉倍貝說(shuō)，這也解釋了觀測(cè)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(shuō)，從現(xiàn)有的觀測(cè)出發(fā)，他們并不能對(duì)木星的形成時(shí)間給出更嚴(yán)格的限制?，F(xiàn)今的木星位于距太陽(yáng)5.2個(gè)日地距離處，木星形成的位置學(xué)界有兩種假說(shuō)。一種認(rèn)為木星為原位形成，成長(zhǎng)過(guò)程中沒(méi)有大尺度的軌道遷移。另一種認(rèn)為木星形成于外盤較遠(yuǎn)處，距太陽(yáng)大于10個(gè)日地距離。

“我們的模型更支持后者。”劉倍貝說(shuō)，因?yàn)槟拘谴髿庵邪l(fā)現(xiàn)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(shù)倍之多，這一現(xiàn)象很難被原位形成理論解釋。相反地，如果木星內(nèi)核形成在行星盤外部較冷的區(qū)域，以上易揮發(fā)性元素均以固態(tài)的形式存在。它們被木星內(nèi)核吸積后可外溢進(jìn)入木星的大氣層，產(chǎn)生以上觀測(cè)到的元素增豐。

此外，木星質(zhì)量增長(zhǎng)之余也與氣體盤相互作用，產(chǎn)生向內(nèi)的軌道遷移。木星內(nèi)移過(guò)程中不斷地散射沿途的炭質(zhì)隕石母體進(jìn)入內(nèi)盤，產(chǎn)生了現(xiàn)今太陽(yáng)系小行星帶的特有的群體分布和軌道構(gòu)型。(洪恒飛 周煒 科技日?qǐng)?bào)記者 江耘)

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關(guān)鍵詞： 隕石同位素含量 太陽(yáng)系身世 原行星盤氣體 行星成長(zhǎng)