行星形成的佳周

行星的构建是一个复杂的过程,但我们正在发现一些新可能性的线索

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


行星起源的机制和时间线仍然如此不确定,这可能会令人惊讶。毕竟,通过对我们太阳系的探索以及对遥远太阳周围数千个世界的发现,我们已经对行星系统的工作原理及其起源的可能性进行了卓越的概述。

与此同时,关于星际物质如何积累和处理以形成新恒星和新世界的普遍接受的图景仍然建立在 Emanuel Swedenborg、Immanuel Kant(是的,就是那位康德)和 Pierre-Simon Laplace 在 1700 年代提出的假设之上。虽然这些想法似乎符合行星系统的主要特征(即行星从引力形成的富含元素的星周气体和尘埃盘中凝结出来),但许多细节已被证明非常难以弄清楚。

例如,固体物质如何聚集成行星大小的碎片仍然不清楚。人们一直认为,这个过程很大程度上可能是分层的,从微小的尘埃颗粒粘在一起开始,构建越来越大的碎片,这些碎片本身会碰撞并合并。但事实证明,这可能不是唯一的途径。其他选择包括有效地跳过中间阶段的过程,将小碎片(尘埃或卵石大小的物质)聚集在一起,例如,被吸入并拖入新形成的大气层中。此外,对于原始行星系统中岩石物质碰撞的程度也存在不确定性;是在相遇时合并还是分裂。


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在过去一周左右的时间里,出现了一些非常有趣的研究报告,这些研究都提供了新的潜在见解。

其中第一个实际上来自外太阳系和新视野号任务对柯伊伯带中遥远的海王星外天体的飞越,该天体现在被称为 Arrokoth(一个与波瓦坦语中的“天空”相关的词)。在《科学》杂志上发表的三篇研究论文中,报告称这个哑铃状的 22 英里长的天体似乎是通过其两个主要瓣的温和合并形成的,这两个瓣都代表非常相似的物质。换句话说,Arrokoth 是星云物质相当局部的粒子云坍缩的产物,而不是来自其轨道各处的各种物质的分层组装。

第二个新闻来自对 NASA 轨道运行的朱诺号任务对木星大气层水含量的分析。朱诺号使用微波测量技术深入到这颗气态巨行星的气态包层约 150 公里处,发现木星赤道附近的水含量似乎约为 0.25%,相对于其他分子的数量。这比 1995 年伽利略探测器冲入大气层时进行的先前测量值要高,但也表明水在木星大气层中并非均匀混合。

尽管如此,如果这个新估计确实反映了木星的全球水含量,那么它暗示最初帮助形成木星的原始行星碎片不是富含水的笼形水合物块,这与由于木星距太阳的距离以及位于所谓的“雪线”之外的位置有关,在“雪线”之外,水冰可以形成。

最后,行星形成之谜菜单上的第三项线索来自对陨石物质的分析。在《科学进展》报道的一项研究中,研究人员测量了各种陨石中一种非常特殊的铁同位素——铁 54 的丰度;所有原始天体都可以追溯到大约 45 亿年前太阳系的形成。

只有一组陨石物质似乎与地球自身的铁 54 丰度相匹配,这表明(在各种其他证据的支持下)地球可能在年轻的太阳系中迅速形成,大约在 500 万年内。在此期间,原始行星盘的非常特定的一部分向内流动(被吸积)到原始太阳,而该部分将提供构建地球主体的物质。如果地球在更长的时间内形成,那么它应该包含更广泛的物质,以及不同的铁 54 同位素组成以及其他差异。

这似乎也与行星“卵石吸积”形成的想法相符,即小颗粒快速聚集到某种小行星“种子”上。这也支持了地球的挥发物(如水)是在早期阶段积累的观点,而在后期来自太阳系其他部分的“附加物”则较少。

这对系外行星系统也有影响。可能是行星核快速形成,岩石世界在早期就获得了水,而无需依赖后期更多变的情景来供应水。换句话说,富含水的世界可能更常见。

总而言之,对于理解宇宙如何构建世界的复杂性来说,这是令人印象深刻的一周进展。
 

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