前沿速报||木星:太阳系最早的行星?

前沿速报||木星:太阳系最早的行星?

我们目前对太阳系行星的认知大致是这样的:八大行星形成于太阳系形成之后原行星盘的吸积,外太阳系行星较早形成(太阳系形成后的约10 My(million year)以内),而内太阳系行星较晚形成(太阳系形成后的约10 My以后),但更精确的形成时间至今还不很明了。一些研究认为气态巨行星(木星和土星)可能形成于太阳系形成后的约1-10 My,因为它们首先需要形成约10-20倍地球质量的固态内核,然后才能有气体在外围积聚,所以气态巨行星应当形成于太阳星云尚未耗散之时 (Pollack et al., 1996; Mizuno et al., 1978; Haisch et al., 2001)。


(图1:气态巨行星的内部结构简图。改编自Giant planet | Wikiwand


近日,德国明斯特大学Kruijer团队采用了一种非常巧妙的方法,通过对铁陨石中钼和钨同位素的分析,为确定木星的年龄提供了新的思路,也为太阳系早期演化过程提供了新的图景。他们的研究认为:木星核形成于太阳系形成后的1 My以内,是太阳系中最早形成的行星。这一成果发表于2017年6月27日的PNAS Age of Jupiter inferred from the distinct genetics and formation times of meteorites并上了同期PNAS的封面。


来自陨石的线索

对已知陨石的轨道反演和光谱分析告诉我们,绝大多数的陨石的母星位于火星和木星之间的小行星带(Asteroid Belt),但化学和同位素分析表明,这些母星最初并不都是形成于小行星带,有些形成于距太阳更远的空间 (Dauphas and Schauble, 2016; Burkhardt et al., 2011; Trinquier et al., 2007; Trinquier et al., 2009),后来因为木星引力变化的影响,向内迁移到了小行星带(例如尼斯模型所认为的木星轨道的迁移)。

(图2:小行星带的位置。改编自What is the Coldest Planet of Our Solar System? - Universe Today


陨石按不同标准可以有多种分类,最常见的是按质地可分为:石陨石、铁陨石和石铁陨石;按是否含有陨石球粒可分为球粒陨石和非球粒陨石(如何推断出陨石来自于哪个星球? - 知乎),而本研究所需要的分类是碳陨石(carbonaceous meteorites, CC group)非碳陨石(noncarbonaceous meteorites, NC group),两者都包含球粒陨石(石陨石的一种)和铁陨石。CC陨石和NC陨石可以通过钼元素的两种同位素含量比值\epsilon^{95}Mo/\epsilon^{94}Mo 区分开,这一比值可能表明了两类陨石的母星在形成之时距离太阳的位置远近。两类陨石的 \epsilon^{95}Mo/\epsilon^{94}Mo 比没有中间混合态,表明两类陨石的母星很可能形成于距太阳远近截然不同的两个位置


(图3:本研究使用的CC陨石和NC陨石,其中铁陨石 IC, IIC, IID, IIF, IIIF, 和IIIE的数据来自本研究,而球粒陨石和其他几种铁陨石的数据来自Burkhardt et al. (2011))


另一方面,CC铁陨石和NC铁陨石的\epsilon^{182}W/\epsilon^{183}W比值也表现出明显的区分(图4中红色和蓝色聚类为两块),同时\epsilon^{182}W还可以反映这些铁陨石的母星核的形成时间(^{182}Hf-^{182}W定年法,半衰期8.9 My),也就是NC铁陨石的母星形成于太阳系形成后约0.3-1.8 My,CC铁陨石的母星形成于太阳系形成后约2.2-2.8 My。通过热模型进一步计算可知NC铁陨石的母星在太阳系形成后 <0.4 My开始吸积,而CC铁陨石的母星在太阳系形成后约0.9 My开始吸积。


(图4:CC铁陨石和NC铁陨石的钨同位素含量比)


资料整合和推理

综上,我们已经得到了这些结果:

1. NC陨石和CC陨石的母星形成于太阳系距太阳远近截然不同的两个位置,始终没有混合



2. NC铁陨石的母星在太阳系形成后 <0.4 My开始吸积,而CC铁陨石的母星在太阳系形成后约0.9 My开始吸积,此后两者同时存在于太阳系不同位置

3. NC球粒陨石和CC球粒陨石的母星在太阳系形成后约2 My开始吸积 (Kita and Ushikubo, 2012),此后两者同时存在于太阳系不同位置,这一过程至少持续到太阳系形成后约3-4 My



也就是说,CC铁陨石的母星开始吸积之后,NC陨石和CC陨石这两块区域再也没有过物质交换。

作者提出的解释是:因为木星核的形成和不断增长在两类陨石区域之间产生了巨大的屏障,从此阻止了两个区域间的物质交换,这一事件最晚发生于CC铁陨石的母星开始吸积之后(也就是太阳系形成后约1 My),这也就是木星核的最晚形成时间。


木星的成长历程

由此推测的木星成长历程可以分为四个阶段:

stage 1:太阳系形成后 <0.4 My,NC铁陨石的母星开始吸积,太阳系外侧物质不断向内侧移动

stage 2:太阳系形成后 <0.4 My - 1 My间,木星核开始形成并达到20倍地球质量,此后,太阳系形成后 约1 My,CC铁陨石的母星开始吸积,木星外侧物质向内侧的移动被阻碍

stage 3:太阳系形成后 约2 My,NC球粒陨石和CC球粒陨石的母星开始吸积,此时木星核已经长到20-50倍地球质量,木星内外侧物质交换被阻碍

stage 4:太阳系形成后 约3-4 My,木星核已经长到50倍地球质量以上,形成了一个巨大的屏障,彻底阻断了木星内外的物质交换,这也解释了为什么内太阳系没有足够的物质可以形成木土星这样的巨行星。

此后,气体物质围绕着木星核积聚,木星继续增长至如今的约318倍地球质量。

木星的轨道迁移(如果有)应当发生于这一阶段之后。


(图5:木星的成长历程。红色实心圆为NC铁陨石,蓝色实心圆为CC铁陨石,红色空心圆为NC球粒陨石,蓝色空心圆为CC球粒陨石)


PS:本文鸣谢 @凌晨晓骥 大神的帮助~


参考文献

  • Pollack JB, et al. (1996) Formation of the giant planets by concurrent accretion of solids and gas. Icarus 124:62–85.
  • Mizuno H, Nakazawa K, Hayashi C (1978) Instability of a gaseous envelope surrounding a planetary core and formation of giant planets. Prog Theor Phys 60:699–710.
  • Haisch KE, Lada EA, Lada CJ (2001) Disk frequencies and lifetimes in young clusters. Astrophys J 553:L153–L156.
  • Dauphas N, Schauble EA (2016) Mass fractionation laws, mass-independent effects, and isotopic anomalies. Annu Rev Earth Planet Sci 44:709–783.
  • Burkhardt C, et al. (2011) Molybdenum isotope anomalies in meteorites: Constraints on solar nebula evolution and origin of the Earth. Earth Planet Sci Lett 312:390–400.
  • Trinquier A, Birck J, Allegre CJ (2007) Widespread 54 Cr heterogeneity in the inner solar system. Astrophys J 655:1179–1185.
  • Trinquier A, et al. (2009) Origin of nucleosynthetic isotope heterogeneity in the solar protoplanetary disk. Science 324:374–376.
  • Kita NT, Ushikubo T (2012) Evolution of protoplanetary disk inferred from 26 Al chronology of individual chondrules. Meteorit Planet Sci 47:1108–1119.


延伸阅读

太阳形成是宇宙尘埃堆积坍缩引起的,但同时为什么还会形成木星土星地球等行星呢? - 陈昱光的回答 - 知乎

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