陨石成分两极化,太阳系有着怎样的童年

来源:科技日报作者:洪恒飞周炜江耘

流星划过夜空，隐藏在绚丽外观之下的，是解开太阳系身世之谜的种种线索。

4月22日，《科学进展》刊登了浙江大学物理学院刘倍贝研究员与丹麦哥本哈根大学、瑞典隆德大学学者的联合研究成果——从陨石同位素含量两极化的现象入手，推演了太阳系形成之初的五百万年间发生的故事。

他们提出，原行星盘气体的外流像一双“看不见的手”，参与了早期太阳系的塑造，影响了小天体和行星的形成。据此，他们构建出了早期太阳系早期天体形成的新模型。

陨石成分不均是关键线索

将时间线追溯到太阳系诞生后的五百万年间，彼时的太阳系正处“童年期”，它的周围环绕着一个扁平的气体圆盘。这一气体圆盘被称为原行星盘，像行星们的共同“摇篮”，其自身漂浮的固体颗粒，可为行星成长所吸积。

作为“天外来客”的陨石——太阳系里的小行星、彗星或行星撞击地球后产生的碎片，它们的母体也形成于同一时期同一“摇篮”。可以通过对陨石的研究，探索早期太阳系形成和演化的过程，解密过程好比破案。

按照物质成分，陨石可分为炭质陨石和非炭质陨石。炭质陨石含有更多的挥发性物质，包括含碳有机物和水等，而非炭质陨石则含有更多的难熔性金属元素。学界认为，这种的差异源于陨石的母体形成时的位置。

“原行星盘越靠近太阳的位置，温度就越高，挥发性物质含量就越低，以非炭质固体物质为主；越远离太阳，温度越低，以炭质物质为主。”刘倍贝根据研究，发现了一条新线索：这两类陨石的同位素含量也大相径庭。例如，从钛和铬的同位素角度分类，这两大类陨石呈现明显的分界。

“没有发现任何一块陨石处于中间地带。”刘倍贝介绍，根据同位素测年法，陨石的形成时间横跨整个原行星盘阶段，它们吸积的固体物质通常而言是相互流通的，它们在组分上应该呈现一定的连续性，然而真实观测则是两极化，这一现象令天文学界尤为惊讶。

刘倍贝解释道，两极化的现象提示了在原行星盘中可能存在大尺度、长时间的物质隔离，让人联想到空间隔绝的可能性。

会不会有一种力量，让原行星盘形成了彼此相互隔离的区域？有学者提出，这种力量来自于太阳系中的“大兄长”气态巨行星木星，即“木星开沟”理论或许可以解释陨石成分两极化的现象。

组成物质的流动有时间差

“木星开沟”理论提出，木星的固体核在太阳系诞生之初的一百万年内形成，它凭借其巨大的质量和强大的引力，在气体盘中开一个深沟，完全阻断后续固体颗粒的内流，内外盘的固体物质自此隔绝。

刘倍贝对此抛出疑问，如果木星真在气体盘中开一个深沟而完全阻断后续固体颗粒的内流，则内外盘的固体物质自此隔绝。那么内盘非炭质固体颗粒物会因快速迁移而消耗殆尽。这样一来，普通球粒陨石和顽火辉石球粒陨石的母体就没有可以吸积的非炭质固体颗粒物，就无法长大。

陨石测年研究表明，这两种球粒陨石形成于太阳系诞生后的两到三百万年间，说明非炭质固体颗粒物还是能长时间流通且存在于内盘区域。

相反地，如果木星开的沟不够深，就不能有效地阻挡固体颗粒的迁移，内外盘的物质还是流通的，就无法导致两类陨石同位素的两极化现象。“‘木星开沟’很难同时解释我们采集、分析得到的太阳系陨石形成年龄和同位素含量这两大观测数据。”刘倍贝说。

还有什么物理机制能解释陨石同位素的两极化？有别于“木星开沟”导致的“空间尺度的隔绝”视角，研究人员尝试从时间演化上的隔绝来解释。

在太阳系的童年时期，原行星盘中的固体颗粒因会源源不断从外盘区域迁移流向内盘。他们提出，研究这一过程应该充分考虑行星盘中气体的运动，这点在过去的工作中被忽视了。

气体盘中的流体遵循着动量守恒原则，盘内侧区域的气体向内流，最后被太阳吸积。与此同时，外盘的气体向外流，不断地扩充着气体盘的外部疆域。“就像涨潮的海水，不断地向外吞噬岸边的沙滩。”刘倍贝表示。

考虑原行星盘气体外流效应之后，他们重新对盘内固体颗粒物的迁移状况进行了模拟，结果显示，在盘外部气体外流的推动下，固体颗粒物的迁移速率和方向发生改变，它们最终进入内盘的时间被大大延长。

“我们发现，初始位于25个日地距离以外的炭质固体颗粒需要经过三百万年才会最终迁移进入内盘类地行星形成区。”刘倍贝说。

勾勒太阳系“童年期”的画像

根据此次研究中指出的原行星盘气体外流效应，三位研究人员重新“复盘”了太阳系“童年期原”行星盘内的固体物质的演化：在太阳系诞生之际，原行星盘内的固体颗粒物分布呈现较为明显的两极化，靠近太阳的位置内盘以非炭质固体颗粒为主；远离太阳的外盘以炭质为主。在外盘的固体颗粒流入内盘之前，内盘非炭陨石（包括无球粒陨石、普通球粒陨石和顽火辉石球粒陨石）的母体们靠吸积耐火物质而形成。

与此同时，外盘的炭质球粒陨石母体吸积炭质颗粒物逐渐长大。在约两至三百万年之后，炭质颗粒物最终迁移进入内盘。

“早期，位于内盘的火星和地球吸积的是非炭质固体颗粒。在约两至三百万年之后，炭质颗粒物最终迁移进入内盘。此后地球和火星吸积炭质物质长大，因而它们的同位素含量是两大类固体物质的混合。”刘倍贝说，这也解释了观测上的火星和地球的同位素含量是介于这两类陨石之间。

刘倍贝说，从现有的观测出发，他们并不能对木星的形成时间给出更严格的限制。现今的木星位于距太阳5.2个日地距离处，木星形成的位置学界有两种假说。一种认为木星为原位形成，成长过程中没有大尺度的轨道迁移。另一种认为木星形成于外盘较远处，距太阳大于10个日地距离。

“我们的模型更支持后者。”刘倍贝说，因为木星大气中发现的诸多易挥发性元素包括碳、磷、氮和氩其含量均比太阳高出数倍之多，这一现象很难被原位形成理论解释。相反地，如果木星内核形成在行星盘外部较冷的区域，以上易挥发性元素均以固态的形式存在。它们被木星内核吸积后可外溢进入木星的大气层，产生以上观测到的元素增丰。

此外，木星质量增长之余也与气体盘相互作用，产生向内的轨道迁移。木星内移过程中不断地散射沿途的炭质陨石母体进入内盘，产生了现今太阳系小行星带的特有的群体分布和轨道构型。