研究人員提出，原行星盤氣體(ti) 的外流像一雙“看不見的手”，參與(yu) 了早期太陽係的塑造，影響了小天體(ti) 和行星的形成。他們(men) 從(cong) 隕石同位素含量兩(liang) 極化的現象入手，推演太陽係形成之初的500萬(wan) 年間發生的故事，並據此構建出早期太陽係天體(ti) 形成的新模型。

　　◎洪恒飛 周 煒

　　本報記者 江 耘

　　5月31日，我們(men) 即將迎來武仙座流星雨。一顆顆流星劃過夜空，帶給我們(men) 一場視覺盛宴。但其實流星的背後，還可能包含著解開太陽係身世之謎的種種線索。在天文學家眼中，流星是來自太空的信使，幫助好奇的人類了解宇宙的奧秘。他們(men) 試圖從(cong) 隕石中捕捉各種蛛絲(si) 馬跡，揭開藏在太陽係漫長演化曆程中的種種謎團。

　　近日，《科學·進展》雜誌刊登了浙江大學物理學院研究員劉倍貝與(yu) 丹麥哥本哈根大學、瑞典隆德大學學者的聯合研究成果——從(cong) 隕石同位素含量兩(liang) 極化的現象入手，推演太陽係形成之初500萬(wan) 年間發生的故事。

　　他們(men) 提出，原行星盤氣體(ti) 的外流像一雙“看不見的手”，參與(yu) 了早期太陽係的塑造，影響了小天體(ti) 和行星的形成。據此，他們(men) 構建出早期太陽係天體(ti) 形成的新模型。

　　隕石成分不均是關(guan) 鍵線索

　　讓我們(men) 將時間線推回到太陽係誕生後的500萬(wan) 年間，彼時的太陽係正處“童年期”，太陽周圍環繞著一個(ge) 扁平的氣體(ti) 圓盤。這個(ge) 氣體(ti) 圓盤被稱為(wei) 原行星盤，它就像是行星們(men) 的共同“搖籃”，其中漂浮的固體(ti) 顆粒可被成長中的行星所吸積。

　　太陽係裏的小行星、彗星或行星撞擊後產(chan) 生的碎片即隕石，它們(men) 的母體(ti) 也形成於(yu) 同一時期、同一“搖籃”——原行星盤。科學家可以通過對隕石進行研究，探索早期太陽係形成和演化的過程。

　　按照物質成分，隕石可分為(wei) 碳質隕石和非碳質隕石。碳質隕石含有更多的揮發性物質，包括含碳有機物和水等；而非碳質隕石則含有更多的難熔性金屬元素。

　　學界認為(wei) ，這種差異源於(yu) 隕石的母體(ti) 形成時的位置。“原行星盤越靠近太陽的位置，溫度就越高，揮發性物質含量就越低，主要物質是非碳質固體(ti) 物質；越遠離太陽的位置，溫度越低，主要物質是碳質物質。”劉倍貝指出，這兩(liang) 類隕石的同位素含量也大相徑庭。

　　劉倍貝介紹，根據同位素測年法，隕石的形成時間橫跨整個(ge) 原行星盤存在的階段(約為(wei) 太陽係誕生之初的500萬(wan) 年間)，它們(men) 吸積的固體(ti) 物質通常而言是流通的，因此它們(men) 在組分上應該呈現出一定的連續性。然而真實的觀測結果則是這兩(liang) 類隕石的同位素呈現出兩(liang) 極化，這一現象令天文學界尤為(wei) 驚訝。

　　劉倍貝解釋道，這種兩(liang) 極化的現象意味著在原行星盤中，可能存在大尺度、長時間的物質隔離。

　　“時間隔絕”讓隕石同位素兩(liang) 極化

　　會(hui) 不會(hui) 有一種力量，讓原行星盤形成了彼此相互隔離的區域？有學者提出，這種力量或來自於(yu) 太陽係中的“大兄長”——氣態巨行星木星，即“木星開溝”理論，這一理論或許可以解釋隕石成分兩(liang) 極化的現象。

　　“木星開溝”理論提出，木星的固體(ti) 核在太陽係誕生之初的100萬(wan) 年內(nei) 形成，它憑借其巨大的質量和強大的引力，在氣體(ti) 盤中開了一個(ge) “深溝”，完全阻斷了後續固體(ti) 顆粒的內(nei) 流，內(nei) 外盤的固體(ti) 物質自此隔絕。

　　劉倍貝對這一觀點存在疑問，如果木星真在氣體(ti) 盤中開一個(ge) “深溝”，完全阻斷了後續固體(ti) 顆粒的內(nei) 流，那麽(me) 內(nei) 盤非碳質固體(ti) 顆粒物會(hui) 因快速遷移而消耗殆盡。這樣一來，普通球粒隕石和頑火輝石球粒隕石的母體(ti) 就沒有可以吸積的非碳質固體(ti) 顆粒物，也就無法長大。

　　研究表明，這兩(liang) 種球粒隕石形成於(yu) 太陽係誕生後的兩(liang) 到三百萬(wan) 年間，說明非碳質固體(ti) 顆粒物還是能長時間流通且存在於(yu) 內(nei) 盤區域。

　　相反地，如果木星開的“溝”不夠深，就不能有效地阻擋固體(ti) 顆粒的遷移，內(nei) 外盤的物質還是可以流通的，就不會(hui) 出現兩(liang) 類隕石同位素兩(liang) 極化的現象。“‘木星開溝’很難同時解釋我們(men) 得到的太陽係隕石形成年齡和同位素含量這兩(liang) 大觀測數據。”劉倍貝說。

　　還有什麽(me) 物理機製能解釋隕石同位素的兩(liang) 極化？有別於(yu) “木星開溝”導致的“空間尺度的隔絕”，研究人員嚐試從(cong) 時間演化上的隔絕來解釋這一現象。

　　在太陽係的“童年時期”，原行星盤中的固體(ti) 顆粒會(hui) 源源不斷從(cong) 外盤區域遷移流向內(nei) 盤。研究人員提出，對這一過程的研究，應該充分考慮原行星盤中氣體(ti) 的運動，這點在過去的工作中被忽視了。

　　原行星盤中的流體(ti) 遵循著動量守恒原則，盤內(nei) 側(ce) 區域的氣體(ti) 向內(nei) 流，最後被太陽吸積。與(yu) 此同時，外盤的氣體(ti) 向外流，不斷地擴充著原行星盤的外部疆域。“就像漲潮的海水，不斷地向外吞噬岸邊的沙灘一樣。”劉倍貝說。

　　考慮原行星盤氣體(ti) 外流效應之後，他們(men) 重新對盤內(nei) 固體(ti) 顆粒物的遷移狀況進行了模擬，結果顯示：在外盤氣體(ti) 外流的推動下，固體(ti) 顆粒物的遷移速率和方向發生了改變，它們(men) 最終進入內(nei) 盤的時間被大大延長。

　　“我們(men) 發現，誕生之初位於(yu) 25個(ge) 日地距離以外的碳質固體(ti) 顆粒，需要經過300萬(wan) 年才會(hui) 最終遷移進入內(nei) 盤類地行星形成區。”劉倍貝說。

　　勾勒太陽係“童年期”的畫像

　　根據此次研究中指出的原行星盤氣體(ti) 外流效應，3位研究人員重新“複盤”了太陽係“童年期”原行星盤內(nei) 固體(ti) 物質的演化：在太陽係誕生之際，原行星盤內(nei) 的固體(ti) 顆粒物分布呈現較為(wei) 明顯的兩(liang) 極化，靠近太陽位置的內(nei) 盤以非碳質固體(ti) 顆粒為(wei) 主；遠離太陽的外盤以碳質固體(ti) 顆粒為(wei) 主。在外盤的固體(ti) 顆粒流入內(nei) 盤之前，內(nei) 盤非碳隕石(包括無球粒隕石、普通球粒隕石和頑火輝石球粒隕石)的母體(ti) 們(men) 靠吸積耐火物質(熔點較高的難熔性物質)而形成。

　　與(yu) 此同時，外盤的碳質球粒隕石母體(ti) 靠吸積碳質固體(ti) 顆粒逐漸長大。在約兩(liang) 至三百萬(wan) 年之後，碳質顆粒物最終遷移進入內(nei) 盤。

　　“行星形成早期，位於(yu) 內(nei) 盤的火星和地球吸積的是非碳質固體(ti) 顆粒。在約兩(liang) 至三百萬(wan) 年之後，碳質固體(ti) 顆粒最終遷移進入內(nei) 盤。此後地球和火星吸積碳質固體(ti) 顆粒成長，因而它們(men) 的同位素含量是兩(liang) 大類固體(ti) 物質的混合。”劉倍貝說，這也解釋了觀測上的火星和地球同位素含量介於(yu) 這兩(liang) 類隕石之間的現象。

　　劉倍貝說，從(cong) 現有的觀測出發，我們(men) 並不能對木星的形成時間給出更嚴(yan) 格的限製。現今的木星位於(yu) 距太陽5.2個(ge) 日地距離處，木星形成的位置學界有兩(liang) 種假說：一種認為(wei) 木星為(wei) 原位形成，成長過程中沒有大尺度的軌道遷移；另一種認為(wei) 木星形成於(yu) 外盤較遠處，距太陽大於(yu) 10個(ge) 日地距離。

　　“我們(men) 的模型更支持後者。”劉倍貝說，因為(wei) 木星大氣中發現的諸多易揮發性元素如碳、磷、氮和氬，其含量均比太陽高出數倍之多，這一現象很難用原位形成理論解釋。相反，如果木星內(nei) 核形成於(yu) 行星盤外部較冷的區域，以上易揮發性元素均以固態的形式存在，它們(men) 被木星內(nei) 核吸積後可外溢進入木星的大氣層，產(chan) 生我們(men) 所觀測到的元素增豐(feng) 。

　　此外，木星質量增長之餘(yu) 也與(yu) 原行星盤相互作用，產(chan) 生向內(nei) 的軌道遷移。木星內(nei) 移的過程中，不斷地通過引力散射作用將沿途的碳質隕石母體(ti) 送入內(nei) 盤，產(chan) 生了現今太陽係小行星帶特有的群體(ti) 分布和軌道構型。