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庞然巨星,始于毫末

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:6

    庞然巨星,始于毫末

    像土星这样的气态巨行星主要由氢和氦组成。图片来源:NASA/JPL/Space Science Institute

    太阳系中最大的行星可能起源于最小的岩石——45亿年前,由围绕新生太阳运动的尘埃和冰所形成的、几厘米大小的砾石。

    最新的研究为气态巨行星(如土星、木星)的内核是由原始碎石快速聚集而成的理论提供了更多支持。而以前的理论认为,巨行星是由更大的、直径1千米左右的岩石聚集形成的。

    关于“碎石吸积”理论的最新文章发表在8月20日的《自然》杂志上,文章描述了围绕太阳旋转的胚胎期行星在引力场相互作用时是如何彼此推动的。这种推动可能会将一些原行星推出尘埃盘,有效地断绝了它们的物质来源;而幸存者则会贪婪地吸收碎石,逐渐变成一颗真正的行星。

    “对于行星形成理论来说,这真算得上是一种范式转移。”论文第一作者美国西南研究院的行星科学家哈罗德•利维森(Harold Levison)说。

    在碎石吸积模型出现前,主流观点认为行星起源于尘埃、冰渣缓慢结合成的千米尺度天体;这些天体彼此结合,直到质量增大到足以维持一个气体层时,一颗真正的气态巨行星就形成了。但是科学家们难以解释的是,这种缓慢的过程是如何在太阳系尘埃盘消散前的短短几百万年间完成的。

    碎石吸积的想法是由瑞典隆德大学的米希尔•兰布瑞奇(Michiel Lambrechts)和安德斯•约翰森(Anders Johansen)在2012年提出的,而这一想法似乎可以解决这一难题。它可以解释行星内核是如何快速形成的:碎石与尘埃盘中气体摩擦而减速,速度足够低时便可以聚集成胚胎期的行星。

    庞然巨星,始于毫末

    木星上的云带使这颗巨行星显得蔚为壮观。图片来源:NASA/ESA/Hubble Heritage Team (AURA/STScI)

    再耐心一点

    尽管如此,这个模型并不完美。测试这一理论的模拟生成了数百个绕太阳旋转的地球大小的天体,不是几个直径相当于地球十倍的更大天体,而通常认为,气态巨行星的内核应该是后者这种较大的天体。“对于行星形成而言,这样‘群星云集’的结果实在是糟糕。”阿姆斯特丹大学的天文学家克里斯•奥梅尔(Chris Ormel)说。

    利维森的团队解决这一问题的办法是给碎石更多耐心,让它们有更充分的时间演化成行星内核。“我们所做的模拟允许成长中的星子相互影响、彼此碰撞。”论文的合著者西南研究院的一名天文学家凯瑟琳•克蕾特克(Katherine Kretke)说。

    研究人员发现,有些胚胎期行星只要比邻居们稍大一点儿,便更容易将其他天体挤出尘埃盘。“这就像是动物巢穴中幼崽之间的竞争,”利维森(Levison)说,“弱小的家伙被更强壮的同胞兄弟排挤在外,所以兄弟们都长大了,而弱小的家伙却无法成长。”

    取决于初始条件,该团队的模拟通常会生成1~4个气态巨行星,类似木星、土星、天王星和海王星。巨行星的存在数量及距太阳的位置可以与另一个主流行星形成理论完美地结合起来。这个主流理论即Nice模型,描述气态巨行星成长到完整的大小后,是如何与其他气态巨行星相互作用的。“基本上,我们得出的就是Nice模型的初始阶段。”利维森(Levison)说。

    约翰森认为这项工作“解决了碎石吸积理论的一个主要问题”。他表示,下一步工作可能会看看碎石吸积是否可以解释其他恒星系中气态巨行星的存在。最近,科学家们利用位于智利的双子座行星成像仪(Gemini Planet Imager)拍摄到了一颗绕51 Eridani旋转的行星,这颗行星的大小和轨道都和木星相仿。

    利维森表示,另一个挑战将是检查碎石吸积是否可以解释太阳系类地行星的差异。在四月份的《科学进展》(Science Advances)中,约翰森(Johansen)和他的同事指出,碎石吸积可能可以解释火星及其他类地行星内核的形成。

    “在这个模型中,各方面的问题都结合在了一起,这在之前的模型中是没有出现过的。”克蕾特克说。(撰文:亚历山德拉•维策尔(Alexandra Witze) 翻译:张旭阳 审校:余卉)

    原文链接:https://www.nature.com/news/small-rocks-build-big-planets-1.18200

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