地球成形之前 巨行星軌道或上演過一場“車禍”

2022-04-29 14:48:25

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。

科學家嘗試通過研究木星、土星、海王星及天王的動力學變遷,求索太陽系的成長歷程。4月28日,記者從浙江大學獲悉,該校物理學院劉倍貝研究員與法國波爾多大學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。相關研究近日刊登于《自然》。  

巨行星軌道動力學不穩定何時發生

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。

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?,F今,四大巨行星的軌道分布更為開闊,巨行星也已脫離了原有的共振狀態,巨行星的軌道或許經歷過動力學劇變。

“想象一座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。”劉倍貝說,描述太陽系巨行星演化是當前最流行的是尼斯模型。

尼斯模型認為,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”。

劉倍貝團隊提出,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??梢杂脷怏w盤的耗散來解釋行星軌道的演化,這是尼斯模型沒有考慮到的因素。

“在氣體盤演化的晚期,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。”劉倍貝說,這時太陽就好比一個巨型吹風機,不斷“吹”走盤中的氣體。

劉倍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。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。

太陽系內其他天體遺留下了佐證

該論文提出,早期巨行星軌道的動力學不穩定,導致起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,冰巨星與木星的觸碰后被甩出太陽系,達到穩定的四大巨行星最終的軌道分布。這點與如今觀測結果吻合。

“團隊研究表明,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。有別于尼斯模型,我們的模型中巨行星軌道不穩定發生的時間更早。”劉倍貝說。

“我們能從月球隕石坑的年齡找到新的佐證。”劉倍貝介紹,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。月球隕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,這也與團隊提出的早期不穩定模型研究契合。

此外,類地行星的軌道也支持劉倍貝團隊的模型。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。

“按尼斯模型所預期的,不穩定發生在地球形成之后,地球就不能成為今天的地球。”劉倍貝認為,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質量和軌道構型,這些均為其有別于傳統模型的優點。

“這一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。”《自然》雜志審稿人對該研究評價道。劉倍貝則表示,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。

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