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太阳系的“童年”是什么样的?这篇《自然》告诉你

编辑: 时间:2022年04月28日 访问次数:525

行星是如何诞生?

太阳系又是如何演化?

当我们望向深邃的太空总会感叹如斯

 

通过研究行星家族中的大兄长

木星、土星、海王星、天王星

从它们的动力学变迁

管中窥豹

求索太阳系的成长历程

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世界杯中文网刘倍贝研究员与法国波尔多大学的雷蒙德教授和美国密歇根州立大学雅格布森教授,共同提出太阳系巨行星轨道演化的新模型。他们指出在太阳系初期原行星盘受到太阳光致蒸发作用,盘中气体从内向外耗散诱发了巨行星轨道的重塑并引起动力学不稳定。

这项成果在北京时间427日晚刊登于《自然》,刘倍贝研究员是论文的第一兼通讯作者,浙大2022世界杯直播为第一单位。

 

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今与昔,巨行星轨道有何不同?

今天我们所见太阳系的行星轨道,与太阳系童年期时有很大不同。太阳系诞生之初,星际空间中的气体分子云坍缩,中心部分形成太阳,残余物质绕恒星旋转形成一个扁平的原行星盘。这个时期也被称为太阳系的气体盘时期,行星成长在行星盘内,与盘中气体相互作用,轨道逐渐圆化并向内迁移。学界认为,在气体盘时期,太阳系的土星、木星、天王星、海王星等四大巨行星通过迁移进入轨道共振态,即相邻行星的公转周期为整数比。

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四大巨行星在气体盘中轨道迁移进入共振态



然而,现今四大巨行星的轨道分布更为开阔,巨行星也已脱离了原有的共振状态,学界认为巨行星的轨道经历过动力学剧变。想象一条车辆正常流通的高架桥,如果有车辆发生碰撞追尾,整个行车的秩序就会被打乱。刘倍贝说,追寻太阳系早期动力学不稳定的原因,是学界非常关注的问题。

 

早或晚,巨行星轨道动力学不稳定何时发生


描述太阳系巨行星演化当前最流行的是Nice模型,因模型创立者来自于法国尼斯蔚蓝海岸天文台而得名。Nice模型认为:轨道不稳定发生在太阳系诞生数亿年之后,那时,原行星盘气体耗散,巨行星与外部的星子盘(由直径为数公里到上百公里的星子组成)相互作用不断交换轨道能量,最终使得行星摆脱共振束缚并引发动力学不稳定。由于该过程能量交换十分缓慢,轨道不稳定属于太阳系诞生数亿年之后的晚期不稳定

刘倍贝团队提出可以用气体盘的耗散来解释行星轨道的演化,这是先前模型没有考虑到的因素。刘倍贝指出,前人的研究忽略了气体盘耗散过程行星受到气体的作用力反向。在气体盘演化的晚期,太阳辐射的高能光子直射行星盘,形成的强劲光压首先吹散了靠近太阳的气体,行星盘内部出现了中空的结构。后续光压由内向外逐步驱散盘中剩余气体,行星盘质量伴随着盘内边界向外扩张而减小,这个过程被称为行星盘的光致蒸发。刘倍贝说,这时太阳就好比一个巨型吹风机,不断走盘中的气体。

 

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行星在原行星盘气体耗散下的示意图

 

刘倍贝团队通过理论计算发现,由于内边界处气体的快速耗散,行星在该处受到向外的气体作用力,这与行星在盘的其他位置受到向内的力截然不同。当气体盘内边界由光致蒸发向外扩张时,原本向内迁移的行星改变运动方向,随内边界共同向外移动。这个过程就像打羽毛球,挥拍击打来球,羽毛球改变原有轨迹,反弹后随着拍面一起向外运动。巨行星由于质量不同,它们向外迁移的速度也不同,从而打破原轨道共振态并引发了动力学不稳定。


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反弹模型示意图,类比挥拍击打羽毛球

 

早期轨道的动力学不稳定,导致原初的四大巨行星与另一个冰巨星在气体盘耗散时经历了大幅度轨道变化,冰巨星与木星的近碰后被甩出了太阳系,达到稳定的四大巨行星最终的轨道分布与现今观测吻合。

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巨行星在气体盘耗散过程中轨道发生不稳定,剧变之后到达现今的轨道构型

 

我们的研究表明,该过程导致的动力学不稳定紧随着气体盘耗散,在太阳系诞生后约五百万到一千万年间发生。有别于Nice模型,我们的模型中巨行星轨道不稳定发生的时间更早。刘倍贝说。

 

月球和地球,来自太阳系其他天体的证据


巨行星轨道演化对包括地球在内的其他行星、卫星和小天体的演化,地球生命的起源、宜居特性等多方面影响深远。用传统的Nice模型与刘倍贝团队提出的反弹模型推演太阳系的童年最明显的差异在于动力学不稳定发生的早晚,前者认为是晚期不稳定,而后者认为是早期不稳定

 

我们能从月球陨石坑的年龄找到新的佐证。刘倍贝介绍,巨行星动力学不稳定会打破太阳系原有的平静,它们强大的引力扰动迫使周围小天体不断撞向其他行星和卫星,并在星体表面留下陨石坑。月球陨石坑有着广泛的年龄分布,小行星撞击事件随时间自然衰减,这也与我们团队提出的早期不稳定模型研究更自洽。

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图源:NASA/Goddard/Arizona State University



此外,类地行星的轨道也支持刘倍贝团队的反弹模型。根据观测,原始地球形成于原行星盘阶段,在太阳系诞生后3000万至1亿年间最终长成。如果不稳定发生在地球完全形成之前,巨行星轨道动荡有概率触发大碰撞事件,诱发原始地球与一个火星大小的天体相撞,逐渐形成现今的地月系统。Nice模型所预期,不稳定发生在地球形成之后,地球就不能成为今天的地球。刘倍贝说,早期动力学不稳定更符合来自太阳系其他天体关于小行星撞击时间的记录。新模型也可以更好地解释后续形成的类地行星的的质量和轨道构型,这些均为其有别于传统模型的优点。

审稿人对这一研究评价:该模型很可能是太阳系演化理论中缺失的成分,文章新颖且意义重大。刘倍贝表示,未来团队会进一步探究巨行星轨道演化对地球形成及其水起源的影响等问题。

该工作受到国家自然科学基金面上项目和世界杯足球网百人计划启动基金的资助。

 

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-022-04535-1


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