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几十年来,天文学家对那些围绕着恒星(比如太阳)的行星(比如地球或火星)是如何形成的,一直有一个大致的图景:在一颗年轻的恒星周围,会出现一个由气体和尘埃构成的原行星盘,在这个盘里,小型天体出现并越长越大,最终达到几千千米的直径,换句话说,它们就成了行星。

但问题在于,在这个简单图景中还有许多细节仍然没有得到解释。最近,在一项新研究中,天文学家利用一系列模拟来探索带内行星演化的不同可能性。他们发现,内太阳系实际上是一种罕见的、但可能的演化结果。研究已于近日发表在《自然・天文学》上。

图片来源:pixabay

旋动的盘和环改变了一切

近年来,由于观测方法的提升,现代的行星形成图景在非常具体的方向上得到了完善和提高。

最引人注目的改变来自ALMA(阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列)于2014年发布的年轻恒星金牛座HL周围的原行星盘。它以前所未有的细节揭示了这个盘中清晰可见的环和环缝的嵌套结构。

2014年,ALMA首次揭示了原行星盘中的环状结构。| 图片来源:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

研究人员认为,这种环和环缝通常与一种“压力颠簸”(pressure bump)有关,也就是某些地方的局部压力比周围区域要低一些。这些局部变化通常离不开盘中成分的变化,主要是尘埃颗粒大小的差异。

特别是,某些压力颠簸与盘中的三个重要的转变有关。

在离恒星非常近的地方,在高于1400开尔文的温度条件下,硅酸盐化合物是气态的,因为那里的温度实在太高了,它们不可能以其他状态存在。当然,这也意味着,行星不可能在这样一个高温区域中形成。在这个温度下,硅酸盐化合物会升华,也就是说,任何硅酸盐气体会直接转变到固态。这处压力颠簸为行星的形成定义了一个整体的内边界

到了较远的地方,在170开尔文的条件下,会出现一个水蒸气到水冰的过渡,它被称为水雪线

而在更低的温度下,也就是30开尔文时,则会有一氧化碳雪线,低于这个温度时,一氧化碳就会形成固体的冰。

图片来源:Rajdeep Dasgupta

这对行星系的形成又意味着什么?许多早期模拟已经显示了这种压力颠簸是如何促使星子的形成的。

行星形成过程的起点是尘埃颗粒。这些颗粒往往聚集在压力颠簸的低压区域,一定大小的尘粒会向内(向着恒星的方向)漂移,直到它们被颠簸内部边界处的高压挡住了去路。

随着压力颠簸处颗粒浓度的增加,特别是(倾向于聚集的)固体物质和(倾向于推开颗粒的)气体的比例提高,这些颗粒就更容易形成大小在几毫米到几厘米之间的“砾石”,也就是一种固体集合,然后这些砾石也更容易继续聚集成更大的物体。

但仍未解决的问题是,这些子结构在行星系的整体形状中的作用,比如我们所在的太阳系,它具有岩石、带内类地行星和带外气态行星的分布特点。这就是新研究所要解决的问题。

模拟内太阳系

在寻找答案的过程中,科学家结合了几个模拟,它们涵盖了行星形成的不同方面和不同阶段。

具体来说,天文学家构建了一个气体盘的模型,它在硅酸盐变成气体的边界以及水和一氧化碳雪线处有三处压力颠簸。然后,他们模拟了尘粒在气体盘中的生长和碎裂方式以及星子的形成。

模拟中一个有趣的问题是这样的:如果初始设置稍有不同,最终的结果是否仍然类似?了解这类变化对于理解哪些成分是模拟结果的关键非常重要。团队因此分析了一系列不同的情景,其中成分性质和原行星盘的温度曲线各不相同。

这些结果表明,我们太阳系的出现与其原行星盘的环状结构之间有着非常直接的联系。正如预期的那样,在这些模型中,星子在压力颠簸处附近自然形成

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对于模拟的内行星系的部分,研究人员确定了形成类似于太阳系的正确条件。如果最靠内的(硅酸盐)压力颠簸之外的区域包含大约2.5个地球质量的星子,这些星子将成长为火星大小的天体,这与太阳系的带内行星一致。

更大质量的盘,或者形成星子的效率更高,反而会导致超级地球的形成,也就是更大质量的岩质行星。这些超级地球将围绕着宿主恒星更近的轨道运行,就在那个最内层的压力颠簸边界的上方。

这处边界的存在也可以解释为什么没有比水星更靠近太阳的行星,因为必需的物质在离恒星那么近的地方会被蒸发掉。

这里的模拟结果同样可以解释火星和地球及金星的化学成分略有不同的原因。在模型中,地球和金星从比地球目前的轨道更靠近太阳的区域收集了大部分物质,这些物质将形成它们的主体。不一样的是,模拟中的“类火星”则主要由来自离太阳稍远的区域的材料构成。

小行星带、巨行星和柯伊伯带

在火星轨道之外,模拟显示的区域中物质开始变得更稀少,在某些情况下,甚至可能完全没有星子,这就是我们太阳系如今小行星带的前身。

然而,一些来自带内或者带外附近区域的星子后来会闯入小行星带的区域并被困在那里。当这些星子发生碰撞时,产生的较小碎片就将形成如今所见的小行星。

这些模拟甚至能够解释不同的小行星群的出现。天文学家所称的S型小行星,也就是主要由二氧化硅构成的天体,是源自火星周围区域的杂散天体的残余物,而主要含碳的C型小行星,是来自小行星带外的杂散天体的残余物。

而在更靠外的区域中,也就是在标志着水冰存在极限的压力颠簸之外,模拟还显示了巨行星形成的起点。靠近该边界的行星边缘通常具有地球质量的40到100倍的总质量,与我们太阳系中巨行星(木星、土星、天王星和海王星)的核的总质量估计一致。

最后,模拟还可以解释最后一类天体及其特性,也就是所谓的柯伊伯带天体,它们在最外层的压力颠簸之外形成。它也能告诉我们已知的柯伊伯带天体之间在成分上的细微差别。

相对罕见的太阳系

总的来说,广泛的模拟带来了两种基本结果。

第一种是,水冰雪线处的压力颠簸很早就形成了,在这种情况下,行星系的内外区域在最初的十万年内就已经分道扬镳。这导致在带内区域形成了低质量的陆地行星,这非常类似于太阳系发生的情况。

第二种是,如果水冰雪线的压力颠簸形成的时间比这要晚,或者没有那么明显,更多的质量就能漂移到带内区域,反而导致内行星系中超级地球或超小海王星的形成。

从目前对系外行星系的观测证据来看,第二种情况反而更有可能,而我们太阳系则是相对罕见的行星形成结果

探索更广泛的区域

在这项研究中,天文学家研究的重点是内太阳系和类地行星。下一步,他们希望运行模拟,囊括外太阳系的更多细节,比如木星、土星、天王星和海王星。研究的最终目标是得到一个有关太阳系和其他行星系的特性的完整解释

至少对于内太阳系来说,我们现在知道,地球和它最近的邻接行星的关键属性可以追溯到一些相当基本的物理学,也就是在围绕着年轻太阳的气体和尘埃的旋动盘中,水冰和水蒸气之间的边界及相关的压力颠簸。

#创作团队:

编译:M ka

排版:雯雯

#参考来源:

https://www.mpia.de/5793300/news_publication_18027576_transferred

https://nautil.us/blog/planets-are-born-from-dust-trap-rings

#图片来源

封面:Pixabay

3 留言

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