浙大學者揭秘太陽系的“童年” 新模型補充前人“漏洞”

2022年04月28日22:16

中新網杭州4月28日電(謝盼盼 柯溢能)行星是如何誕生?太陽系又是如何演化?當人們望向深邃的太空總會感歎如斯。4月28日,記者從浙江大學獲悉,由浙江大學參與提出的太陽系巨行星軌道演化的新模型成果已經刊登《自然》,通過研究行星家族中的大兄長——木星、土星、海王星、天王星,從它們的動力學變遷“管中窺豹”,揭秘太陽系的“童年”。該新模型還補充了前人研究的“漏洞”。

  此項研究是由浙江大學物理學院研究員劉倍貝與法國波爾多大學的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並引起動力學不穩定。這項成果在北京時間4月27日刊登於《自然》,劉倍貝研究員是論文的第一兼通訊作者,浙江大學(下稱“浙大”)物理學院為第一單位。

  學界認為,太陽系誕生之初,星際空間中的氣體分子雲坍縮,中心部分形成太陽,殘餘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。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。

  然而,現今四大巨行星的軌道分佈更為開闊,巨行星也以脫離了原有的共振狀態,學界認為,巨行星的軌道經曆過動力學劇變。

  “想像一條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,追尋太陽系早期動力學不穩定的原因,是學界非常關注的問題。

  描述太陽系巨行星演化當前最流行的是Nice模型,因模型創立者來自於法國尼斯蔚藍海岸天文台而得名。

  Nice模型認為:軌道不穩定發生在太陽系誕生數億年之後,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並引發動力學不穩定。由於該過程能量交換十分緩慢,軌道不穩定屬於太陽系誕生數億年之後的“晚期不穩定”。

  劉倍貝團隊提出,可以用氣體盤的耗散來解釋行星軌道的演化,這是先前模型沒有考慮到的因素。

  劉倍貝指出,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。“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。後續光壓由內向外逐步驅散盤中剩餘氣體,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,由於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。“這個過程就像打羽毛球,揮拍擊打來球,羽毛球改變原有軌跡,反彈後隨著拍面一起向外運動。”巨行星由於質量不同,它們向外遷移的速度也不同,從而打破原軌道共振態並引發了動力學不穩定。

  “我們的研究表明,該過程導致的動力學不穩定緊隨著氣體盤耗散,在太陽系誕生後約五百萬到一千萬年間發生。有別於Nice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。

  用傳統的Nice模型與劉倍貝團隊提出的“反彈”模型推演太陽系的“童年”,最明顯的差異在於動力學不穩定發生的早晚,前者認為是“晚期不穩定”,而後者認為是“早期不穩定”。

  “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,並在星體表面留下隕石坑。“月球隕石坑有著廣泛的年齡分佈,小行星撞擊事件隨時間自然衰減,這也與我們團隊提出的早期不穩定模型研究更自洽。”

  此外,類地行星的軌道也支持劉倍貝團隊的“反彈”模型。

  根據觀測,原始地球形成於原行星盤階段,在太陽系誕生後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,巨行星軌道動盪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。“而Nice模型所預期,不穩定發生在地球形成之後,地球就不能成為今天的地球。”劉倍貝說,“早期動力學不穩定更符合來自太陽系其他天體關於小行星撞擊時間的記錄。新模型也可以更好地解釋後續形成的類地行星的的質量和軌道構型,這些均為其有別於傳統模型的優點。”

  《自然》審稿人對這一研究評價:“該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。”

  劉倍貝表示,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。(完)

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