我们的太阳系诞生于高能碰撞，而非平稳增长

我正走出麻省理工学院的一间教室，我和学生们在那里讨论行星的形成方式，这时我的同事本·韦斯叫住了我。他研究太空岩石中的磁性，他非常兴奋。韦斯拉着我走到他的办公室，向我展示一块名为阿连德（Allende）的陨石的新数据。这些信息可能会改变行星地质学家对太阳系的几乎所有看法。那是2009年秋天，韦斯的研究团队表明，阿连德——它在1969年像巨大的火球一样坠入墨西哥地球，并包含我们太阳系中一些已知最古老的物质——在其岩石中蕴藏着古代磁场的迹象。这一发现令人惊讶。天文学家认为，这种磁场只能由行星内部炽热、流动的液态金属的磁发电机产生，就像地球的磁场是由行星核心中旋转的液态铁产生的那样。但阿连德应该是一个来自母星微行星——一个早期的、新生的行星——的碎片，它只是稍微温暖。科学家们推测它从未变得足够热以融化它所包含的金属。那么，韦斯想知道，我们太阳系的这块古老碎片怎么会变得足够热以产生磁发电机呢？

我的学生们刚刚向我抛出关于行星演化的问题，挑战我重新思考一些教科书上的知识，所以我碰巧有一个新想法的雏形，可能有助于回答韦斯的问题。我走到他的白板前，开始勾勒出来。

长期以来，人们都知道星微行星含有短寿命、不稳定的铝原子，这些原子会辐射过量的核能。这种放射性同位素被称为26Al，当它衰变时，过量的能量可能会加热星微行星。可以想象，阿连德母体中26Al的热量可能升高到如此之高，以至于该物体实际上从内部融化。物体内部的金属将与岩石其余部分的硅酸盐矿物分离，并形成一个液态核心，当太空岩石旋转时，液态核心开始旋转，从而产生磁发电机。与此同时，星微行星的外部会被太空的寒冷所冷却，而来自我们太阳系原始盘的冷岩石和尘埃会不断添加到这个未融化的外壳上。

支持科学新闻报道

如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。

早期太阳系的构建模块包含如此多能量的这个想法不是我在高中学到的故事。教科书通常仍然说太阳系以安静、庄严的方式形成。45.67亿年前的创造被认为是一个有序、文明的过程，就像小步舞曲一样：分子云的气体和尘埃旋转成一个围绕着一颗正在成长的年轻恒星的圆盘，气体和尘埃聚结成许多小砾石，每个砾石逐渐增长到数十到数百公里直径。这些星微行星本身然后撞击在一起形成更大的天体，每个天体可能都有火星那么大，被称为行星胚胎。只有在那之后，这个太空育儿所的温度才开始升高。这些胚胎在生长过程中获得了足够的引力，开始清除其轨道周围的碎片，然后碰撞并成长为行星。最终，这些行星中的成分分离成熟悉的翻腾金属核心和硅酸盐地幔——炎热、狂野的火山之地，与生命格格不入。

那是旧的观点。当韦斯和我开始思考阿连德时，一些其他数据也表明，早期的太阳系确实是一个快速而剧烈变化的地方。现在，尘埃到砾石到星微行星到胚胎到行星的温顺序列正在被取代。实际的星微行星形成，曾经被推测需要数亿年才能发生，但在大约三百万年内就发生了。如果我们的太阳系年龄，以人类时间计算，现在是一天，那么这个成长过程发生在最初的一分钟内。早期小组件中更多的能量——像铝加热和早期碰撞提供的能量——意味着它们不必等待和生长才能形成不同的层。相对微小的星微行星可以容纳以前被认为仅限于行星的过程，从融化和脱气到磁发电机的产生和火山活动。

而且这个系统中的事物不仅仅是从小到大生长。通常，大的事物会分裂成更小的碎片。行星大小的球体可能在早期通过这些较小的高能天体的碰撞而形成，但星微行星之间的擦边、撞击和逃逸碰撞有时会剥离或摧毁它们。它们的碎片可能会撞击其他球体，使其扩大到行星大小。行星可以在短短1000万年或更短的时间内被建造、撕裂和重建。

正在消失的圆盘

行星科学家借助计算陨石和行星尘埃云年龄的新工具——类似于我们原始的太阳系——拼凑出了这个活跃的年轻太阳系的新颖、三环马戏团般的景象，这些尘埃云位于宇宙的其他地方。

在过去的15到20年中，科学家们开发出了能够测量太空岩石成分的仪器，精度达到百万分之一甚至更低。由于我们对放射性元素衰变成其子元素所需的时间有很好的了解，因此这些测量使我们能够确定脱落这些碎片的行星和星微行星何时形成和变化。世界各地的科学家——尤其是哥伦比亚大学的亚历克斯·霍利迪；德国明斯特大学的托尔斯滕·克莱恩；哈佛大学的斯坦·雅各布森；卡内基科学研究所的玛丽·霍兰和里克·卡尔森；以及马里兰大学的理查德·沃克——测量了陨石的集合。这项工作清楚地表明，星微行星在尘埃盘开始冷却后的最初几百万年内形成，我们的许多类地行星可能在最初的1000万年内形成，甚至大多数地球可能在几千万年内形成并分化成地核和地幔。

其他研究途径也产生了类似的结果。随着望远镜的不断改进，我们可以看到年轻的恒星在银河系的其他部分生长，在某些情况下，我们可以看到恒星及其行星生长的尘埃和气体盘。通过估计被行星环绕的恒星的年龄，并将这些测量结果与仅被尘埃和气体盘环绕的恒星的估计结果进行比较，研究人员在约15年前确定，这些圆盘平均只能持续三百万年。

因此，星微行星平均只有三百万年的生长时间。任何到那时还没有吸积到岩石上的尘埃和气体都会丢失，在恒星中燃烧或分散在太空中，并且不再有可用于行星构建的物质。考虑到理论家过去认为吸积需要数亿年，这是一个相当大的加速！

更多关于这个时间点的证据来自使用放射性元素的衰变，就像时钟一样，当一种元素变成另一种元素时，它以稳定的速度滴答作响。新的仪器为欧洲和美国的团队提供了足够的精度来测量这些元素，从而了解该时钟已经滴答了多长时间。坠落到地球的陨石包含这些元素。大多数是小行星的碎片，而小行星本身是星微行星的原始残余物。（其他一些陨石来自月球，一些来自火星，还有一些来自尚未确定的天体。）

元素铪的一种放射性同位素倾向于留在硅酸盐矿物中，例如地球地幔中的那些。但它会衰变成钨的同位素，钨很容易与构成行星核心的金属结合。这种衰变按有规律的时间表发生：一半的铪在九百万年内变成钨。这个系统为我们提供了行星和星微行星的金属-硅酸盐（核-幔）分化的时间尺度：金属核的形成从硅酸盐地幔中清除钨，并将其带入正在增长的核中。任何铪都快乐地留在地幔中，并继续衰变成钨，如果不再发生核形成，钨就会留在硅酸盐地幔中。当科学家测量陨石中铪与钨的比率时，其中钨同位素的量给出了自核形成以来的时间。

对铁陨石的这种同位素测量——其中许多陨石可能来自星微行星的金属核——表明它们的母体在最初的固体从我们的原始行星盘的尘埃和气体中凝结后的仅仅50万年内就形成了。这个时间在我们假定的24小时太阳系中不到10秒。如果铁陨石是被撞击粉碎的星微行星的核碎片，那么星微行星肯定在如此短的时间内形成、融化并产生了铁核。

生长突增

实验数据有力地表明，太阳系的形成速度比教科书场景表明的要快得多，研究太阳系的科学家不得不解释行星是如何如此迅速地形成的。这给理论家们出了难题。直径仅为微米到厘米的尘埃和卵石，都围绕着我们年轻的太阳运行，如何在短短50万年内聚集在一起形成高达1000万倍大的天体（100公里星微行星）？

答案并不明显。标准物理学认为，碰撞的小团块尘埃很容易通过电磁力粘在一起，很像静电产生家用灰尘团块的方式。碰撞过程中由于压缩和孔隙率损失而吸收的能量也有助于团块粘在一起，而不是相互弹开或破碎。然而，随着团块的增长，它们达到了所谓的米级障碍。在它们达到一米直径之前，这些不断增长的砾石变得太大而无法通过电磁力粘住，同时仍然太小而无法通过引力吸引力粘住。即使在非常低的速度下撞击也会导致这些聚合物解体而不是积聚。然而，我们知道这种材料必须能够从米级大小增长到星微行星大小——我们今天所站立的行星就是对此的证明。因此，必须有一些其他过程在起作用。

已经提出了关于如何超越米级障碍进行生长的几种想法。大多数假设都涉及通过各种类型的湍流将物质集中在原始行星盘中，这些湍流使粒子碰撞在一起。这种漩涡状的力可能包括称为开尔文-亥姆霍兹涡流的现象，这种涡流在圆盘的气体和尘埃层之间发展，并可能有效地将物质区域压碎成更大的天体。这项工作的很大一部分是由现在在瑞典隆德大学的安德斯·约翰森开创的。西南研究所的哈尔·莱维森和约翰森分别研究了另一种模型，称为卵石吸积。他的计算表明，即使是最小的尘埃碎片和团块也可以在几个轨道上被引力转移，以添加到正在增长的星微行星中，并且可以足够快地做到这一点，以便在太阳系早期构建星微行星。

冷冻机中的融化

然而，任何类型的压碎都不可能导致星微行星分化成地幔和地核。如果星微行星最初是由金属和硅酸盐紧密混合的原始盘物质形成的，那么只有高温和至少部分内部融化才能使金属沉入内部并形成地核。计算表明，将这些相对较小的天体撞击在一起不会提供足够的能量来融化它们。因此，研究人员开始想知道，在寒冷太空的广阔冷冻机中，融化能量来自哪里。

这就是关于放射性铝的想法的用武之地。每次这些原子之一衰变时，都会释放出热量爆发。这些微小的热量量子可能在早期太阳系中累积成强大的能量源。由于铝是石质材料中六种最常见的元素之一（其他元素是硅、镁、铁、氧和钙），半衰期约为70万年的26Al很容易将至少一些星微行星加热到熔化温度。

但是，考虑到最近的观测强烈表明，其中一些行星种子在外部有未融化的外壳，是什么阻止了它们完全融化呢？大小是答案的一部分。就阿连德的母星微行星而言，要达到融化，这个岩石天体需要足够大，使其内部产生的热量比其外部辐射出去的热量更快。较大的天体内部会比小的天体更热，因为它具有更大的产热体积，而其散热表面相对较小。但是26Al的短半衰期意味着这种生长必须很快。为了保持足够的能量以达到我们设想的融化模式，阿连德的母星微行星需要在太阳系中最初的固体（相当于我们24小时太阳系的最初37秒）形成后约两百万年内生长到半径10公里或更大——我们认为它可能已经生长到半径200公里。

人们过去认为，星微行星要么完全融化，要么保持原始状态。但韦斯和我建议了一种混合体，其中太阳系中最原始的物质包裹着一个内部融化的星微行星——一个外部外壳以及一个融化的核心。这是有道理的，因为阿连德陨石——它记录了由加热的内部引起的磁场——仅由未加热的原始物质组成。它唯一可能的来源将是一个凉爽的外部外壳。阿连德的母星微行星保留了这个原始的未融化表面外壳，因为它被太空的寒冷所冷却，并且由于凉爽的原始行星盘中的尘埃随着时间的推移不断附着在它上面。外壳未受加热的影响，能够保持星微行星结构内部部分（融化的核心及其磁发电机）产生的磁场的记录。

我们并不是第一个想到部分分化的人。地质学家约翰·伍德在1958年于麻省理工学院完成的博士论文中手绘了类似的结构——但从来没有人敢于异端到说原始未融化陨石的海报典范阿连德可能是以这种方式产生的，或者说这个过程在我们的太阳系初期是普遍的，甚至是形成性的。

现在看来它确实很普遍。研究人员发现，至少还有四个其他陨石母体承载着磁核发电机。与此同时，其他可能的磁化来源已被排除：阿连德及其同伴不是被太阳产生的磁场、尘埃盘本身或撞击周围的瞬态羽流磁化的。如果早期的太阳系真的充满了数百甚至数千个分化的星微行星，它们在周围快速移动，产生强烈的热量和磁发电机，就像微型地球一样，那就意味着整个婴儿系统包含的热量比地质学家曾经认为的要多得多。

拥挤的区域

其他想法也削弱了从小到大线性行星增长的传统观念。多年来，为了简单和数值上的易处理性，所有行星形成的模拟都假设，在星微行星的每次碰撞中，来自两个碰撞器的所有物质结合在一起形成一个新的、更大的天体。即使星微行星是由尘埃形成的，也会发生这种合并。但是，亚利桑那大学的埃里克·阿斯普豪格开创了对碰撞过程进行建模的更新理解和方法。阿斯普豪格发现，有些碰撞是建设性的，会产生更大的天体。但其他碰撞可能是破坏性的，碰撞器会从目标天体上剥离物质，并继续前进到其他地方造成更多破坏。

大约在1000万年时，天体才真正变得更大并保持较大。是什么给了它们足够的稳定性来生存？答案似乎又是大小。随着星微行星碰撞并形成更大的行星胚胎，它们的质量以及它们的引力也变得更大。引力足够大，以至于每当它们的轨道靠近另一个物体时，该物体要么被引力拉入并吸积，要么被甩开，因为它的轨道发生了变化。因此，这些不断增长的行星开始清除其轨道，这是正确称为行星的标准之一。较小的天体越来越少有避难所，它们的轨道可以在那里保持稳定，不受不断增长的行星的干扰；小行星带成为留给它们的安全港湾之一。

金属世界任务

韦斯、阿斯普豪格、我和其他人想了解我们自己行星的结构和组成是如何在这种充满活力、经常混乱的环境中形成的。但是，尽管流行电影或儒勒·凡尔纳小说的科幻小说，我们无法很好地观察地球的核心。它太深埋在地下，压力太高，无法直接采样。

但是，也许一颗特殊的小行星，一颗古代星微行星的残余物，可能是一个不错的替代品。大约12年前，我和我的几位同事开始设计一项太空任务来探索这种可能性。我们聚集在NASA喷气推进实验室的左场任务制定室。这个房间是为创造力而设计的。它有摆满绘画和建筑材料的架子，如纸板、轮子、电线、乐高积木、纸张、记号笔和泡沫。这是一个思考全新事物的好房间，而这正是我们试图做的。我们想探索一个可以证明或推翻假设的地方。我们已经决定，最好的目的地是一个由金属构成的世界：金属小行星灵神星。

没有哪个地方像这里——至少在合理的时间内没有哪个地方足够近可以到达。灵神星是最大的小行星之一，直径约200公里，位于火星和木星之间。我们拥有的所有物理测量——来自无线电望远镜从天体反射波——都表明它由大量的铁和镍组成。灵神星看起来像是一个被剥光的星微行星核心，是早期太阳系中破坏天体的撞击和逃逸碰撞的最后残余物。灵神星中粒子的方向，就像微小的磁罗盘指针一样，可能会告诉我们它是否有一个磁发电机。可能还有一些岩石外壳的残余物告诉我们星微行星的深地幔是什么样的。如果裸露的金属表面受到撞击，飞溅物可能会产生锋利的金属悬崖，这些悬崖在落回表面之前就冻结了。

任务室里的我们每个人都带来了一套特定的技能：韦斯，他的专业是测量陨石中的磁场；威廉·F·博特克，轨道天体的动力学；阿斯普豪格，碰撞的影响；布鲁斯·比尔斯，计算天体的引力场；丹尼尔·温克特，管理数据和操作。达蒙·兰道计算轨迹；他是一位行星际旅行代理人。约翰·布罗菲组织了我们的审议，而我带来了我对成分、融化、凝固和分化过程的知识。

房间里的能量上升到了令人兴奋的顶峰。没有人查看电子邮件，也没有谈话停顿。我们因真正的探索而团结在一起：人类从未访问过金属天体，我们甚至不知道它会是什么样子。

从那时起，那些玩泡沫和乐高的日子已经让位于由大约300人组成的团队的有组织的推动，多年来有超过1500人参与了这项任务。我们提出了一艘大约单打网球场大小的宇宙飞船，由太阳能电池和离子推进器提供动力，并携带磁力计来探测磁场，伽马射线光谱仪来识别元素和两台照相机。2017年1月，我们收到了好消息，NASA选择了灵神星任务进行飞行。我们将在2023年10月发射宇宙飞船，我们预计它将在2029年到达这个奇异的行星构建遗迹。金属世界在等待着。