地球是怎麼形成七大塊板的(地球是怎麼來的)
2023-05-26 04:32:17 1
▼【在太陽系形成之初,創造行星的最快方式可能是通過小石塊不斷堆積,而非大體量天體的對撞合併。這種理論被稱之為「礫石吸積」。】
讓我們想像一下45億年前的太陽系。
那就像是一個嬰兒室,到處都是「行星胚子」的身影。太陽系誕生時留下的氣體和塵埃盤環繞年輕的太陽。塵埃盤內布滿星子——也就是直徑1到100公裡的多巖天體——以及寬度1000公裡左右的原行星。這就好像一群體型各異的孩子擠進了同一個房間。
與任何託兒所一樣,此時的太陽系也是一個「吵鬧」的所在。星子在系內疾馳,偶爾撞到一起。塵埃和巖石碎片穿過事故地點。經過幾百萬年的演化,太陽繫結束了這種混亂狀態,孕育了我們今天看到的行星。
▲有理論認為原始地球隨著無數星子的對撞而不斷生長研究論文合著者、瑞典隆德大學天文學家米歇爾·拉姆布萊切特表示:「這些天體能夠輕易並且快速形成。礫石吸積論為很多問題提供了答案。」
例如,在塵盤耗光製造行星所需的原材料前,行星如何形成?模型顯示塵盤將在100萬年到1000萬年耗盡。在此過程中,塵盤內的氣體蒸發,塵埃螺旋墜入新誕生的太陽的引力陷阱。
塵盤消失前,木星和土星等最大的系內行星已經擁有十倍於地球質量的核心。利用星子製造行星需要耗費相當長時間,因為星子通常會與嬰兒行星擦肩而過,而不是被它們的引力俘獲。相比之下,礫石很容易被原行星的引力捕獲,它們的不斷積聚只需大約100萬年就能造就一顆行星。天文學家意識到礫石的存在,因為他們在嬰兒恆星周圍觀測到礫石的身影。通過觀測物質的射電波長,甚大陣列等望遠鏡對原行星盤內的顆粒尺寸進行測算。原行星盤通常含有大量礫石,朝著恆星緩慢移動,總質量有時可達到數百個地球。
摩擦:為何礫石能快速依附上原行星研究指出礫石乃通過塵埃顆粒撞擊合併形成。論文合著者、隆德大學天文學家安德斯·約翰森表示:「原行星盤內的絕大多數塵埃凝聚成礫石。」他將原行星盤形象地稱之為「礫石工廠」。2010年,約翰森和拉姆布萊切特開始思索礫石與行星誕生之間的關係。他們進行了一系列計算,揭示礫石如何與漂浮在原行星盤內的大塊碎石狀碎片發生交互。令他們感到吃驚的是,他們發現礫石能夠快速依附到原行星身上。
摩擦成為這一過程的關鍵。想像一下,礫石流穿過一個100公裡寬的原行星。在原行星盤內移動時,礫石與氣體發生摩擦,摩擦減緩它們的速度,導致礫石被原行星的引力場俘獲。隨後,它們開始環繞原行星移動,不久後墜落原行星表面。每次撞擊都會增加原行星的質量,如果發生足夠多的撞擊,原行星便可迅速生長,直徑增至1000公裡以上。拉姆布萊切特說:「從很大程度上說,礫石吸積是天體增大質量的最有效途徑。」
拉姆布萊切特指出如果原行星盤內的星子和礫石質量相等,礫石吸積的效率可達到星子的1000倍。2012年,他和約翰森在一系列論文中闡述他們的初步想法。2017年,他們在《地球與行星科學年度評論》綜述了這一理論。
天王星海王星為何最終演化成冰巨星?礫石吸積論能夠幫助科學家解釋太陽系的諸多特徵。比如,美國宇航局的「朱諾」號飛船發現,木星擁有一個超出科學家預計的更大更分散的核心。約翰森指出這意味著曾發生礫石吸積,因為這是在塵盤消散前的可用時間內形成巨大核心的唯一途徑。
又比如,長久以來,天王星和海王星如何形成一直困擾著科學家,而礫石吸積論也有助於揭開這個謎團。這兩顆冰巨星雖也有巨大核心,但並不像木星和土星那樣擁有大量氣體。嬰兒木星和嬰兒土星最終達到所謂的「礫石隔絕質量」。這意味著它們擁有足夠的體量,讓周圍氣體產生一個壓力泵,驅逐任何靠近的礫石。一旦停止吸食礫石,木星和土星開始積聚氣體。相比之下,天王星和海王星從未達到礫石隔絕質量(隨著軌道距離不斷增大),最終演化成冰巨星,而不是氣態巨星。
在太陽系外,礫石吸積論也能解釋一系列謎團,例如大體積行星如何在距母星很遠的區域形成。年輕恆星HR 8799座落於飛馬星座,距地球大約129光年,周圍存在4顆體積超過木星的行星。這些行星與母星間的距離是地日距離的68倍,相比之下,木日距離只有地日距離的5倍左右。約翰森和拉姆布萊切特進行的電腦模擬顯示,行星能夠在距母星更遠的區域形成,通過吸食周圍的礫石而不斷生長。整個過程可以在原行星盤的壽命內完成。相比之下,「星子說」並不會出現這個過程,因為距母星很遠的區域並不存在足夠的星子。
原行星在何處誕生不過,仍有一大疑問仍沒有找到答案,那就是原行星在何處誕生?一種可能性是,原行星在恆星周圍的雪線形成,即液態水凍結的區域。由於環境從潮溼變成乾燥,塵埃和礫石的物理屬性發生改變。它們開始凝聚,體積不斷增大,充當「行星種子」。其它礫石隨後依附種子,最終孕育出原行星。
蘇黎世大學天體物理學家喬安娜·德拉科維斯卡指出雪線是孕育首批原行星的理想所在。誕生之後,原行星開始吸食盤內的礫石。在最近刊登於《天文與天體物理》的論文中,德拉科維斯卡闡述了這一想法。TRAPPIST-1系統可能便是這種情況。座落於寶瓶座的TRAPPIST-1距地球39光年,是名氣最大的行星系統之一,共有7顆類地行星。
根據阿姆斯特丹大學天文學家克裡斯·奧梅爾和同事最近進行的計算,原行星在恆星雪線形成,而後通過吸食礫石,迅速生長。在達到與地球相當的質量時,羽翼未豐的行星停止「進食」,原因在於它們的引力影響了周圍的塵盤。奧梅爾說:「我們很難用經典理論解釋這個獨特系統,但礫石吸積能夠做到這一點。」
拉姆布萊切特指出隨著天文學家發現更多系外行星,礫石吸積理論能夠幫助他們進一步了解行星的演化。「這一理論意味著所有行星的形成都是一個充滿動態的過程。」
(本文章來源於漫步宇宙公眾號)
,