研究人员建议，原行星盘气体的外流就像一双看不见的手，参与了早期太阳系的塑造，影响了小天体和行星的形成。他们从陨石同位素含量的两极化开始，推断了500万年前太阳系形成的故事，并构建了早期太阳系天体形成的新模型。
◎洪恒飞 周 伟
记者 江
5月31日，我们即将迎来武仙座流星雨。流星划过夜空，给我们带来视觉盛宴。但事实上，在流星的背后，也可能包含各种线索来解决太阳系生活经历的奥秘。在天文学家看来，流星是太空的信使，帮助好奇的人类理解宇宙的奥秘。他们试图从陨石中捕捉到各种线索，隐藏在太阳系漫长进化中的谜团。
最近，科学·《进展》杂志发表了浙江大学物理学院研究员刘倍贝与丹麦哥本哈根大学和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开始，推断了太阳系形成前500万年发生的故事。
他们建议原行星盘气体的外流就像一双看不见的手，参与了早期太阳系的塑造，影响了小天体和行星的形成。因此，他们构建了早期太阳系天体形成的新模型。
陨石成分不均匀是关键线索
让我们把时间线推回到太阳系诞生后的500万年。当时，太阳系正处于童年，太阳周围有一个扁平的气体圆盘。这种气体圆盘被称为原始行星圆盘。它就像行星的共同摇篮。漂浮的固体颗粒可以被生长中的行星吸收。
太阳系中的小行星、彗星或行星撞击产生的碎片是陨石，它们的母亲也形成在同一时期，同一个摇篮——原始行星盘。科学家可以探索太阳系早期的形成和进化过程。
陨石可分为碳陨石和非碳陨石。碳陨石含有更多的挥发性物质，包括碳有机物和水；非碳陨石含有更多的难熔金属元素。
学界认为，这种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，主要物质是非碳质固体物质；越远离太阳的位置，温度越低，主要物质是碳质物质。”刘倍贝指出，这两类陨石的同位素含量也大相径庭。
刘贝贝介绍，根据同位素测量年法，陨石的形成时间跨越了原行星盘的整个阶段（约为太阳系诞生之初的500万年）。它们吸收的固体物质通常是循环的，因此它们应该在成分上表现出一定的连续性。然而，真正的观察结果是，这两种陨石的同位素呈现两极化，这让天文学界特别惊讶。
刘倍贝解释说，这种两极化现象意味着原行星盘中可能存在大规模、长期的物质隔离。
时间隔离使陨石同位素两极化
会不会有一种力量让原行星盘形成一个相互隔离的区域？有学者提出，这种力量可能来自太阳系的大哥——气态巨星木星，即木星沟理论，可以解释陨石成分的两极化。
根据木星沟理论，木星的固体核在太阳系诞生之初的100万年内形成。凭借其巨大的质量和强大的重力，在气体盘中开辟了一条深沟，完全阻断了后续固体颗粒的内流，从此将内外盘的固体物质隔离开来。
刘倍贝对这一观点有疑问。如果木星真的在气体盘中开了一条深沟，完全阻断了后续固体颗粒的内流，那么内盘的非碳固体颗粒就会因快速迁移而耗尽。这样，普通球陨石和顽火辉石球陨石的母体就没有非碳固体颗粒，无法生长。
研究表明，这两种球粒陨石在太阳系诞生后的两到三百万年内形成，表明非碳固体颗粒仍然可以在内盘区域长期流通和存在。
相反，如果木星的沟不够深，就不能有效地阻止固体颗粒的迁移，内部和外部磁盘的物质仍然可以循环，就不会出现两种陨石同位素的两极化现象。木星沟很难解释我们得到的两个观测数据：太阳系陨石的形成年龄和同位素含量。刘贝贝说。
还有什么物理机制可以解释陨石同位素的两极化？与木星沟造成的空间尺度隔离不同，研究人员试图从时间进化中解释这一现象。
在太阳系的童年，原行星盘中的固体颗粒将从外盘区域流向内盘。研究人员建议，在过去的工作中，应充分考虑原行星盘中气体的运动。
原行星盘中的流体遵循动量守恒的原则，内部区域的气体向内流动，最终被太阳吸收。与此同时，外部板块的气体向外流动，不断扩大原行星板块的外部领域。就像海水的潮水一样，它不断地吞下岸边的海滩。刘贝贝说。
在考虑了原行星盘气体的外流效应后，他们重新模拟了盘内固体颗粒物的迁移情况。结果表明，在外气体外流的推动下，固体颗粒物的迁移率和方向发生了变化，最终进入内盘的时间大大延长。
刘倍贝说：我们发现，在诞生之初，距离25天地的碳固体颗粒需要300万年才能最终迁移到内盘地行星形成区。
勾勒太阳系童年的画像
根据本研究指出的原行星盘气体外流效应，三名研究人员恢复了太阳系童年原行星盘固体物质的演变：当太阳系诞生时，原行星盘固体颗粒分布呈现明显的两极化，非碳固体颗粒主要靠近太阳位置；碳固体颗粒主要远离太阳。在外盘固体颗粒流入内盘之前，内盘非碳陨石（包括无球陨石、普通球陨石和顽固辉石球陨石）的母体通过吸收耐火物质（高熔点难熔物质）形成。
与此同时，外盘粒陨石母体通过吸收碳固体颗粒逐渐生长。大约两三百万年后，碳颗粒最终迁移到内盘。
在行星形成的早期阶段，位于内盘的火星和地球吸收了非碳固体颗粒。大约两到三百万年后，碳固体颗粒最终迁移到内盘。从那时起，地球和火星吸收了碳固体颗粒，因此它们的同位素含量是两种固体物质的混合物。刘贝贝说，这也解释了火星和地球同位素之间的观测现象。
刘倍贝说，从现有的观察来看，我们不能更严格地限制木星的形成时间。今天的木星位于距离太阳5的地方.学术界有两种假设：一种认为木星是在原位形成的，在生长过程中没有大规模的轨道迁移；另一种认为木星形成在远离太阳的外盘上。
我们的模型更支持后者。刘贝贝说，由于木星大气中发现的许多挥发性元素，如碳、磷、氮和氩，其含量是太阳的几倍，因此很难用原位形成理论解释。相反，如果木星核心形成在行星盘外部较冷的区域，则上述挥发性元素以固态形式存在。它们被木星核心吸收后，可以溢出到木星的大气层中，产生我们观察到的丰富元素。
此外，除了木星的质量增长外，它还与原来的行星盘相互作用，导致向内的轨道迁移。在木星向内移动的过程中，沿途的碳陨石母体通过重力散射不断送入内盘，产生了独特的群体分布和轨道结构。 【编辑：叶攀】
