新研究提出太陽在年輕的時候,周圍的塵埃盤並不是連續分布的一片盤狀,而是分成三道塵埃環,不同的行星在不同的環內誕生,這個機制最終限制了地球的大小,而沒有長成「超級地球」。

這份研究利用超級電腦模擬了幾百種太陽系誕生初期的情形,讓它們按照行星演化原理發展。研究人員發現,其中一個模型中的太陽周圍有好幾圈塵埃環,這樣演化出來的結果和現在的太陽系最相近,能解釋太陽系現在的許多特點,包括為甚麼火星和木星之間有一個小行星帶、為甚麼來自太陽系內圍和外圍兩個區域的化學物質有著明顯的區別,以及為甚麼在海王星軌道以外有個富含彗星、小行星的柯伊伯帶(Kuiper belt)等。

不過其中最有趣的一項是,研究稱這個模型能解釋為甚麼地球沒有長成「超級地球」。所謂超級地球就是體積比地球大得多、由岩石構成、具有大氣層甚至地表存在液態水的行星。科學家發現,銀河系內三分之一和太陽系差不多的恆星系統裏,都發現了超級地球這樣的系外行星。可是為甚麼太陽系內不存在一個超級地球?

這份研究認為,太陽系誕生的初期,太陽周圍的塵埃盤內的物質不是均勻連續地分布,而是至少分成了三道像現在土星周圍那樣的塵埃環。研究人員把它叫做「壓力帶」(pressure bumps)。不同的行星在不同的壓力帶內誕生,只能提取所在塵埃環之內的物質,這限制了行星成長可用的資源,所以地球沒能長成更大的體積。

過去幾十年來,科學家們都知道行星是在恆星周圍的「原始行星盤」內誕生的,但是以為塵埃盤內的塵埃是連續分布的,而且距離恆星越遠塵埃分布的密度越小。但是這份研究的模擬演化模型顯示,這樣連續的塵埃盤內其實不太可能誕生行星。

這份研究的主要作者之一美國萊斯大學(Rice University)的天文學家安德里亞·伊塞拉(Andrea Isella)說:「在連續的塵埃盤裏,所有的固體粒子很快都會被太陽吸收。需要某種機制阻止它們落入恆星,這些物質才有時間成長為行星。」

合作研究者安德烈·伊齊多羅(Andre Izidoro)進一步解釋說,如果固體粒子繞行恆星的速度比它周圍的氣體快,「固體粒子就像遇到阻力一樣(減緩了它們的速度,減小了離心力),使得它們快速落向恆星。」而在「壓力帶」,氣體壓力增加,運動的速度加快,固體粒子不再感到阻力,「這使得塵埃顆粒在壓力帶內聚集」。

這份研究認為,越靠近太陽的地方溫度越高,塵埃盤內不同區域內的物質被氣化從而產生環狀的氣化帶,也就是研究者所稱的「壓力帶」。

具體來說,這份研究認為太陽的周圍從裏到外分別有矽酸鹽、水和一氧化碳這三種物質被氣化而形成的環帶。最靠近太陽的一圈,是像沙子、玻璃、二氧化矽這些物質被氣化而形成的環帶,水星、金星、地球和火星都在這個環帶內誕生。中間一圈是水蒸氣環帶,最外面一圈是一氧化碳氣化帶。

研究還認為,隨著太陽系年齡的增大,行星盤在冷卻,這些氣化帶將不斷向內移動靠近太陽。在這個移動的過程中塵埃累積變成小行星那樣規模的天體,之後再繼續長成行星。

這份研究2021年12月30日發表於《自然·天文學》(Nature Astronomy)期刊。#

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