有个星际难民营,藏在太阳系的火星和木星轨道间

摘要: 那里原有一片祥和,直到有一天……

12-12 05:36 首页 星空天文

那里原有一片祥和,直到有一天……

小行星带想像图。NASA


太阳系的小行星带又称主小行星带,位于火星和木星轨道之间。那里存在着一个由各种小天体组成的狭窄环状盘。18世纪的天文学家根据太阳系行星的运行规律对小行星带的存在作出了预言。随后,天文学家们又根据在火星和木星身上发现的诸多现象,针对小行星带的成因发表了诸多看法。


对于小行星带是否是行星的残骸或是早期太阳系的遗留物,科学界一直存在着争论。它既有可能是行星解体的产物,也有可能是一颗未能凝聚的失败行星。但是最近有天文学家发表了一种新的看法,认为小行星带原本只是一个空旷的地带,后来才逐渐被各种微小天体和碎片填满。

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C型和S型小行星占据小行星带的示意图。Sean Raymond


传统的观点认为,太阳系形成之初,太阳系的基石——微行星在原行星盘内是均匀分布的。问题在于,在这种情况下,小行星带包含的物质总量要比地球质量高好几倍。而今天小行星带的质量总和还不及地球质量的千分之一。小行星带理论上应该拥有的那99.9%质量去哪了?


因此波尔大学的天文学家Sean N. Raymond和Andre Izidoro开始思考是否存在其它可能。是否有可能小行星带最初并不存在?他们把观点以论文的形式发表在了《科学进取(Science Advances)》杂志上,并将标题命名为《空旷的原始小行星带(The Empty Primordial Asteroid Belt)》。


这样的想法乍听起来有点不可思议,但实际上,我们已经在系外行星那里取得了可能有关的发现。


比如2014年阿塔卡马毫米/亚毫米波望远镜拍到的金牛座HL原行星盘。这个距地球450光年的原行星盘内物质并不是均匀分布的,而是由一系列密度不一的环带组合而成。


虽然此类结构的成因尚存争议,但大部分观点认为,它的这种样子和尘埃物质的迁徙积聚有关。当某处物质环密度积累到足够大后,微行星就会从中诞生,并逐渐凝聚成大行星。低密度的暗带通常认为是行星形成过程中“清扫”出来的。不过Raymond和Andre Izidoro认为,原行星盘内的物质本来就不是均匀分布的。

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阿塔卡马毫米/亚毫米波望远镜阵列拍到的金牛座HL原行星盘。ESO


为了验证他们的假说,这两位天文学家建立了一个将小行星带设置为空环的早期太阳系计算机模型。结果显示,小行星环带的形成和岩石行星的形成是有关的,它能够逐渐地演变成今天我们见到的模样。


Raymond表示,在模拟中,岩石行星的形成效率并不是100%。也就是说,有一部分微行星会被引力甩向外侧,并滞留在小行星带内。这些小天体的运行轨道和今天的S型小行星(主要成份是硅的小行星,约占小行星总量的17%)很像。S型小行星的迁徙效率很低,大约只有千分之一。但环原本就是空的。今天小行星带内S型小行星的质量总和只有地球质量的十万分之四。模拟中迁徙至此的小天体数量略多于此,但由于演化到后期会有损耗,迁徙至此并长期滞留的小天体数量和分布特点,与今天小行星带内S型小行星的数量和分布特点恰好相符。


基于这个模型,两位天文学家还发现,在木星和土星的引力影响下,许多原先分布在外侧的小天体也会逐渐向内靠拢,进入小行星带所在区域,成为所谓的C型小行星(含碳小行星,约占小行星总量的75%或更高)。这些小行星同时也是地球上水的潜在源头。综合考虑这两种情况后他们发现,这些小天体在模拟结果中的分布情况,和今天小行星带内小行星的实际分布情况一致。


在此不得不提其中一位天文学家早前提出过的一个理论。2011年,Raymond曾经作为参与者,和他的同事在一篇论文中表示,原始木星(那时的木星很可能只有一个石质内核)曾经发生过轨道向内迁徙事件。木星的内迁不但掠夺了大部分原本属于小行星带的物质,还把许多原本属于火星的物质带走了。结果导致小行星带失去了大部分质量,并造成火星的质量偏小。而木星在“大肆劫掠”之后又向原来的位置回归,最终稳定在今天的地方。

这里涉及到了天文学上的另一个谜团——火星质量偏小之谜。和地球和金星相比,火星显得过于迷你。所有模拟结果都显示,火星理论上应该比现在拥有更大的质量。而这个谜团显然和小行星带的形成存在着某种关联。


但“木星迁徙说”中存在着理论上的不确定性,所以这二位今天才提出了“空旷的原初小行星带”说。这个假说的重点就是,构成现代小行星带主体的微行星,并不是在小行星带现在所处的位置上就地成形,而是在临近行星的引力作用下迁徙至此的。如此一来,火星偏小也就好解释了,因为原行星盘环带物质含量本来就是不均匀的。


如果这个假说属实,那么小行星带就好比是太阳系的难民营,容纳了大量未被行星接纳的微行星。科研的进展既需要脚踏实地的小心求证,也有赖于大胆的假说。无论结果最终是否能够被证实,这样的胆识和魄力还是值得敬佩的。


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