*太阳系原行星盘概念图
把宇宙时钟往回拨几十亿年,我们的太阳系看起来与今天大不相同。大约45亿年前,年轻的太阳发出的光芒和现在很像,只是比现在小一点。它没有被行星包围,而是蜷缩在一个由气体和尘埃组成的漩涡盘中。这个圆盘被称为原行星盘,它是行星最终形成的地方。
在太阳系早期的原行星盘中,火星和木星现在所在的位置,以及现在小行星带所在的位置之间,有一个明显的间隙。究竟是什么造成了这一间隙仍是一个谜,但天文学家认为这是控制行星形成过程的一个迹象。
一组科学家发表了一篇论文,概述了这个古老间隙的发现。该研究的主要作者是Cauê Borlina,他是麻省理工学院地球、大气和行星科学系(EAPS)的行星科学博士生。论文的标题是“太阳系早期盘状亚结构的古地磁证据”。这项研究发表在《科学进展》杂志上。
多亏了像阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)这样的设施,天文学家们正在更好地观察更年轻的太阳系,它们仍然有原行星盘,并且仍在形成行星。它们通常有明显的间隙和环,作为行星形成的证据。但这一切到底是如何运作的仍然是个谜。
*ALMA拍摄的长蛇座原行星盘
“在过去十年中,观察表明,在其他年轻恒星周围的圆盘中,空腔、缝隙和环是常见的。”本研究的合著者、麻省理工学院地球、大气和行星科学系(EAPS)行星科学教授本杰明·韦斯(Benjamin Weiss)说,“这些是气体和尘埃转化为年轻的太阳和行星的物理过程的重要特征,但人们对此知之甚少。”
大约45亿年前,太阳系原行星盘存在间隙的证据来自于对陨石的研究。
太阳系的磁场对陨石的结构有影响。古地磁作用塑造了被称为球粒的原行星盘中的微小岩石。球粒是熔融的或部分熔融的圆形岩石碎片,它们被吸积成一种叫做球粒陨石的陨石。球粒陨石是太阳系中最古老的岩石之一。
当陨石球粒冷却时,它们保留了当时磁场的记录。这些磁场随着原行星盘的演化而改变。球粒中电子的方向取决于当时磁场的性质。总的来说,所有球粒陨石中的球粒都讲述了一个故事。
在这项研究中,研究小组分析了在南极洲发现的两颗碳质陨石的球粒。他们使用了一种叫做SQUID(扫描超导量子干涉装置)的设备。SQUID是一种用于地质样品的高灵敏度、高分辨率磁力仪。该团队使用SQUID来确定陨石中每个球粒的古代原始磁场。
这项研究也是基于一种叫做同位素二分法的现象。两组独立的陨石坠落到地球,分别由不同的同位素组成,这两种陨石一定是在早期太阳系的不同时间和地点形成的。两种类型被称为碳质(CC)和非碳质(NC)。CC陨石可能包含来自太阳系外的物质,而NC陨石可能包含来自太阳系内的物质。有些陨石同时含有这两种同位素,但这种情况非常罕见。
研究小组研究的两颗陨石都是来自外太阳系的CC型陨石。当他们分析这些陨石时,他们发现这些陨石球粒显示出比他们之前分析的NC陨石更强的磁场。
这与天文学家所认为的年轻太阳系的情况相反。随着一个年轻系统的进化,科学家们预计磁场会随着距离太阳的距离而衰减。磁强度可以用微特斯拉的单位来测量,CC陨石球粒的磁场强度约为100微特斯拉,而NC陨石球粒的磁场强度仅为50微特斯拉。相比之下,今天的地球磁场大约是50微特斯拉。
磁场表明了太阳系是如何吸收物质的。磁场越强,吸收的物质就越多。CC陨石球粒中明显的强磁场表明,太阳系外部比内部区域吸积了更多的物质,这从行星的大小可以明显看出。这篇论文的作者总结说,这是一个大间隙的证据,某种方式阻止了物质流入太阳系内部。
“在原行星系统中,间隙是很常见的,我们现在表明,在我们的太阳系中也有一个,”Borlina说。“这为我们在陨石中看到的这种奇怪的二分法提供了答案和证据,表明间隙影响行星的组成。”
*ALMA拍摄到的原行星盘
木星是目前为止最大的行星,所以它是一个很好的目标对象用来了解这一切是如何在我们的太阳系中发生的。随着木星的成长,它强大的引力可能发挥了作用。它可能会将气体和尘埃从太阳系内部扫向外围,在演化的圆盘中与火星之间留下一个间隙。
另一种可能的解释源于圆盘本身。早期的圆盘是由它们自身强大的磁场形成的。当这些场相互作用时,它们可以产生强大的风,吹走物质,创造一个缺口。木星的引力和原行星上的磁场可能结合在一起形成了这个间隙。
但造成这种差距的原因只是问题之一。另一个问题是它扮演了什么角色?自40亿年前形成以来,它是如何帮助塑造万物的?根据这篇论文,这个间隙本身可能起到了一个不可逾越的屏障的作用,阻止了两边的物质相互作用。在这个间隙的内部是类地行星,而在间隙的外部是气态世界。
该研究的主要作者Cauê Borlina在一份新闻稿中说:“要跨越这个屏障是相当困难的,一颗行星需要大量的外部扭矩和动量。”“所以,这提供了证据,表明我们的行星的形成仅限于早期太阳系的特定区域。”
这一研究成果最早发表在《Universe Today》上。
(独家编译:科幻世界)
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