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    浙大學者揭秘太陽系的“童年”,成果登《自然》

    發布時間:2022-04-29來源:浙大融媒體中心作者:柯溢能 盧紹慶0


    行星是如何誕生?太陽系又是如何演化?當我們望向深邃的太空總會感嘆如斯。

    通過研究行星家族中的大兄長,木星、土星、海王星、天王星,從它們的動力學變遷 “管中窺豹”,求索太陽系的成長歷程浙江大學物理學院劉貝研究員與法國波爾多大學的雷蒙德教授和美國密歇根州立大學雅格布森教授,共同提出太陽系巨行星軌道演化的新模型。他們指出在太陽系初期原行星盤受到太陽光致蒸發作用,盤中氣體從內向外耗散誘發了巨行星軌道的重塑并引起動力學不穩定。

    這項成果在北京時間427日刊登于《自然》,劉貝研究員是論文的第一兼通訊作者,浙大物理學院為第一單位。


    今與昔,巨行星軌道有何不同?

    今天我們所見太陽系的行星軌道,與太陽系“童年”期時有很大不同。太陽系誕生之初,星際空間中的氣體分子云坍縮,中心部分形成太陽,殘余物質繞恒星旋轉形成一個扁平的原行星盤。這個時期也被稱為太陽系的“氣體盤”時期,行星成長在行星盤內,與盤中氣體相互作用,軌道逐漸圓化并向內遷移。學界認為,在氣體盤時期,太陽系的土星、木星、天王星、海王星等四大巨行星通過遷移進入軌道共振態,即相鄰行星的公轉周期為整數比。

    四大巨行星在氣體盤中軌道遷移進入共振態


    然而,現今四大巨行星的軌道分布更為開闊,巨行星也以脫離了原有的共振狀態,學界認為巨行星的軌道經歷過動力學劇變?!跋胂笠粭l車輛正常流通的高架橋,如果有車輛發生碰撞追尾,整個行車的秩序就會被打亂?!眲?/span>貝說,追尋太陽系早期動力學不穩定的原因,是學界非常關注的問題。


    早或晚,巨行星軌道動力學不穩定何時發生

    描述太陽系巨行星演化當前最流行的是Nice 模型,因模型創立者來自于法國尼斯蔚藍海岸天文臺而得名。Nice模型認為:軌道不穩定發生在太陽系誕生數億年之后,那時,原行星盤氣體耗散,巨行星與外部的星子盤(由直徑為數公里到上百公里的星子組成)相互作用不斷交換軌道能量,最終使得行星擺脫共振束縛并引發動力學不穩定。由于該過程能量交換十分緩慢,軌道不穩定屬于太陽系誕生數億年之后的“晚期不穩定”。

    貝團隊提出可以用氣體盤的耗散來解釋行星軌道的演化,這是先前模型沒有考慮到的因素。劉貝指出,前人的研究忽略了氣體盤耗散過程行星受到氣體的作用力反向?!霸跉怏w盤演化的晚期,太陽輻射的高能光子直射行星盤,形成的強勁光壓首先吹散了靠近太陽的氣體,行星盤內部出現了中空的結構。后續光壓由內向外逐步驅散盤中剩余氣體,行星盤質量伴隨著盤內邊界向外擴張而減小,這個過程被稱為行星盤的光致蒸發?!眲?/span>貝說,這時太陽就好比一個巨型吹風機,不斷“吹”走盤中的氣體。

    圖片源自:NASA/JPL-Caltech/T.Pyle(SSC)

    行星在原行星盤氣體耗散下的示意圖


    貝團隊通過理論計算發現,由于內邊界處氣體的快速耗散,行星在該處受到向外的氣體作用力,這與行星在盤的其他位置受到向內的力截然不同。當氣體盤內邊界由光致蒸發向外擴張時,原本向內遷移的行星改變運動方向,隨內邊界共同向外移動?!斑@個過程就像打羽毛球,揮拍擊打來球,羽毛球改變原有軌跡,反彈后隨著拍面一起向外運動?!?/span>巨行星由于質量不同,它們向外遷移的速度也不同,從而打破原軌道共振態并引發了動力學不穩定。

    反彈模型示意圖,類比揮拍擊打羽毛球


    早期軌道的動力學不穩定,導致原初的四大巨行星與另一個冰巨星在氣體盤耗散時經歷了大幅度軌道變化,冰巨星與木星的近碰后被甩出了太陽系,達到穩定的四大巨行星最終的軌道分布與現今觀測吻合。

    巨行星在氣體盤耗散過程中軌道發生不穩定,劇變之后到達現今的軌道構型


     “我們的研究表明,該過程導致的動力學不穩定緊隨著氣體盤耗散,在太陽系誕生后約五百萬到一千萬年間發生。有別于Nice模型,我們的模型中巨行星軌道不穩定發生的時間更早?!眲?/span>貝說。


    月球和地球,來自太陽系其他天體的證據

    巨行星軌道演化對包括地球在內的其他行星、衛星和小天體的演化,地球生命的起源、宜居特性等多方面影響深遠。用傳統的Nice模型與劉貝團隊提出的“反彈”模型推演太陽系的“童年”,最明顯的差異在于動力學不穩定發生的早晚,前者認為是“晚期不穩定”,而后者認為是“早期不穩定”。

    我們能從月球隕石坑的年齡找到新的佐證?!眲?/span>貝介紹,巨行星動力學不穩定會打破太陽系原有的平靜,它們強大的引力擾動迫使周圍小天體不斷撞向其他行星和衛星,并在星體表面留下隕石坑?!霸虑螂E石坑有著廣泛的年齡分布,小行星撞擊事件隨時間自然衰減,這也與我們團隊提出的早期不穩定模型研究更自洽?!?/span>

    圖片源自:Apollo 16 photograph courtesy of NASA.


    此外,類地行星的軌道也支持劉貝團隊的“反彈”模型。根據觀測,原始地球形成于原行星盤階段,在太陽系誕生后3000萬至1億年間最終長成。如果不穩定發生在地球完全形成之前,巨行星軌道動蕩有概率觸發大碰撞事件,誘發原始地球與一個火星大小的天體相撞,逐漸形成現今的地月系統?!岸?/span>Nice模型所預期,不穩定發生在地球形成之后,地球就不能成為今天的地球。”劉貝說,“早期動力學不穩定更符合來自太陽系其他天體關于小行星撞擊時間的記錄。新模型也可以更好地解釋后續形成的類地行星的的質量和軌道構型,這些均為其有別于傳統模型的優點?!?/span>

    審稿人對這一研究評價:“該模型很可能是太陽系演化理論中缺失的成分,文章新穎且意義重大。”劉貝表示,未來團隊會進一步探究巨行星軌道演化對地球形成及其水起源的影響等問題。該工作受到國家自然科學基金面上項目和浙江大學百人計劃啟動基金的資助。

    (文 柯溢能/攝影盧紹慶 部分圖片由受訪人提供)


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