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行星是怎么“制造”出来的?科学家捕捉到行星形成的关键线索

更新时间:2020-02-14 10:49点击:

  谈论到关于行星的形成,那么我们必然离不开早期的太阳系。早期的太阳系是一个充满极其混乱的“战场”,行星还未完成形成,结构还未定型,无数的太空碎片撞击着不断成长的行星。这些碎片是一把双刃剑,有时,这种物质会落到行星的“胚胎”上成为行星成长的一部分,有时,它会毁灭这个未来的世界,总之能坚持到最后的行星都是一些“锻造”过的行星。但是人类对于这些行星的具体形成过程仍然只是一知半解,现在,一项对这些“碎片碰撞”的新研究将有助于揭示行星在太阳系早期是如何形成的奥秘。

  为此,科学家构造了一些极其复杂的行星模型,这些模型可以在几天到数百万年的时间尺度上对一个逐渐形成的行星所发生的一切行为做出解释。并且这些模型必须时大略符合实际的发生状况,比如所有来自撞击者和目标的物质都完美地融合成一个单一的物体,这显然是一个不切实际的事件,因为至少有一些碎片很可能被抛入太空并丢失。随着科学技术的进步,这些模型也不断在科学家的手里逐渐进行升级和改造,越来越符合早期行星碰撞的过程。

  事实上,在过去的十年中,科研计算能力的提高使得研究人员可已经以开始研究更真实的碰撞场景。现在,科学家们模拟了一场“惊险”的碰撞,即两个物体擦身而过,甚至两个行星胚胎撞在一起时可能发生的完全毁灭时的场景。这些不完美的“碰撞”不仅影响到行星的大小,而且有助于解释它们的轨道。

  来自俄克拉荷马大学的行星建模专家马特·克莱门表示:“在我们的模型中,考虑到撞击后逃逸的影响和抛出碎片的引力扰动,我们可以得出更现实的地球和金星最终轨道!”

  我们知道太阳系一些巨大的行星如木星、土星、天王星和海王星等,这些行星在太阳系诞生后不久的舞轨迹仍然是一个谜。在过去,天文学家认为所有的行星都是在它们现在的轨道上形成的,但是当科学家第一次发现系外行星时就推翻了这个猜测,因为科学家们意识到行星通常在它们诞生后不久就会迁移。对太阳系的深入观察表明,在它的早期生命中,一切还不是那么稳定。柯伊伯带的形状,木星附近来自太阳系外的小的冰碎片的存在,以及火星的体积,这些都为外行星的诞生提供了证据。几十年来,科学家们一直致力于收集有关行星起源的信息,以及它们在早期是如何相互作用的。

  早期的研究表明行星是由恒星形成后遗留下来的气体和碎片形成的。万有引力把无数的碎片拉在一起形成了行星。一旦一个行星核形成,它就开始从周围吞噬气体,迅速膨胀。体积较小的岩质行星聚集气体的速度较慢,与这些巨行星相比,它们的大气层较小。但是当气体消失,被行星吞噬或者被恒星辐射吹走之后会发生什么呢?

  2005年,研究人员提出,海王星和天王星在离太阳更近的地方形成,而海王星是这对行星中最内层的行星。这两个人互相拉着,把他们往外拉,最终导致他们互换位置。一路上,他们从柯伊伯带向内向较小的类地行星投掷冰冷的碎片。

  最初,科学家们提出,这种轨道迁移发生在大约39亿年前,也就是行星形成后的4.5亿年。这一延迟将使向内抛掷的物质符合晚期重轰击(LHB)时期,即41亿至38亿年前撞击地球-月球系统的碎片数量激增的时期。但近年来,有证据表明LHB可能根本没有发生。

  LHB的想法最早出现在阿波罗时代,当时从月球表面不同地方采集的样本似乎表明,所有的主要陨石坑都有39亿年的历史。我们知道行星形成的碎片的数量会随着撞击行星、坠入太阳或被喷射到星际空间而缓慢减少。所以,碰撞的集中峰值让科学家们大吃一惊。

  但是,对月球的更详细的观察,加上对样本年代测定技术的改进,表明许多月球样本可能只有一个来源。虽然宇航员从月球表面的几个地区采集了样本,包括死海熔岩平原和塞伦尼塔提斯火山,但现在看来,一次巨大的撞击可能会将死海的碎片吹过月球表面,将碎片散落在月球表面。

  在之前的一项研究中,科学家发现,这种后期的不稳定对类地行星来说不是好兆头。岩石世界之间的碰撞经常摧毁它们,火星和水星也经常被抛出它们的轨道。随着越来越多的证据表明,天王星和海王星的迁移几乎是在气体消失后立即发生的,科学家们随即决定用更详细的碰撞来模拟行星的形成。

  我们知道当一个小物体撞上一个大物体时,几乎所有的物质都可能会被这个庞然大物吞没了。但是当两个物体的大小比较接近时,这个问题就复杂了。两者的撞击很可能改变对方的轨道、体积等等一些重要的参数。比如在实际的太阳系中,类地行星——尤其是地球和金星——的轨道与预测椭圆轨道的形成模型的结果相比,明显是圆形的,而且是共平面的。

  通过研究碰撞碎片的轨迹,我们可以更好地重现地球和金星的低轨道偏心率和倾角,以及所有行星的推断地质生长时间。接下来科学家计划将这些撞击与月球表面的撞击相比较,希望为小行星带的演化提供线索。

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