木星、土星是如何從碎石中誕生的

類別: 新奇

木星、土星是如何從碎石中誕生的

因為不可能親眼目睹其過程,太陽系行星如何形成一直困惑著科學家們。研究者們一般認為木星和土星成長自較小岩石和水冰團塊的碰撞,在稱為星子的原行星上構造起來。但當時的模型生成的行星個數遠遠太多。

科學家們的新計算機模型發現了這些龐大的奇蹟從碎石集結而來的一種方式。

木星、土星是如何從碎石中誕生的

我們的太陽系形成時看上去非常不同。四大巨行星——木星、土星、天王星和海王星——比現在間距更緊密,離太陽也更近,直到它們間的相互作用把後兩者甩至更遙遠的空間。

因此,巨行星可能是在比今天更近的地方形成的。它們的岩石和冰核心最先形成,再吸引層層氣體將他們包裹,形成今天的巨大體積。但一直以來的問題是解釋它們的核心是如何建立的。主導理論是,大小從幾英尺到幾百英里不等的小團塊互相吸引建立起核心。但模型生成出來的核心數量遠遠太多——幾百個,而不是太陽系裡見到的僅僅四個。

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作為解決這個問題的一種辦法,有些科學家提出,也許較小的初始材料——稱為碎石——並不都是同時存在的。

在行星演化中,碎石比星子先出現。起初,塵埃和塵埃聚集,然後小石塊材料聚集,最終巨石聚集起來——直到太陽系充滿了數米到數百公里大的巖質物體。在行星科學術語裡,這些叫做“碎石”。

Michiel Lambrechts和Anders Johansen的“碎石吸積”理論假定是這些碎石形成了木星和其它行星的基本原料,碎石並不僅僅通過引力相互作用,因為他們被包裹在氣體圓盤中,氣動阻力也影響到它們的堆積。Lambrechts和Johansen的理論結合了這個阻力,但問題是在該理論下,年輕行星增長得快太多了。

第一作者Hal Levison說:“我得承認,剛接觸到這個想法時,其實一開始我是拒絕的,試圖證明它是錯誤的。”但他和同事為他們的研究構建了碎石吸積理論並發表在今天出版的《自然》上。

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Levison和同事們跑了計算機模擬來求解Lambrechts和Johansen的模型所基於的方程式,在基本碎石吸積模型下對我們太陽系的一次模擬鍾,科學家們得出了約300個地球質量的行星——這也差得太遠了。

但他們尋思,如果塵埃不是一直都在合併形成碎石,而是以不同速率形成,會發生什麼。這會在同一時間形成較少碎石,也許能促使他們聚整合少數幾個行星。

這正是他們所見到的,行星核心開始形成,但引力相互作用很快隔離開許多嬰兒行星,把較小的行星丟擲氣體盤。Levison說:“那些個子較小的傢伙軌道偏心和傾角變得更大,從碎石所在的氣體盤中退散。因此它們就被餓斃而無法增長。只有最大的那些行星停留在碎石所在地區,”這意味著它們能繼續增長。

而這種安排生成了我們外太陽系令人印象深刻的準確再現。研究者們發現他們的模擬在離太陽5至15個天文單位間產生了1至4個氣體巨行星,而這就是這些行星現今所在之處。

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這個發現還遠未能給太陽系形成蓋棺定論。首先,它並未考慮內行星。因為內行星形成所需時間更長,因此模擬的時間跨度更大,模擬它們形成要更困難得多。內太陽系也在較小的空間裡塞進了更多天體,而這些天體在軌道上執行也更快。這兩個原因意味著其模擬比外行星模型所使用的需要多得多的解析元素。

Levison的團隊下一步計劃調查內太陽系可能如何形成“碎石吸積”模型。如果這個理論也能複製到四個內行星的形成上,行星科學家們離弄懂行星如何形成就更近一步——它也會是計算機模擬和碎石吸積模型互動的勝利。

木星、土星是如何從碎石中誕生的

[王丟兜 via Discover]

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