隕石同位素含量兩極化 解開太陽系身世之謎

流星劃過夜空，隱藏在絢麗外觀之下的，是解開太陽系身世之謎的種種線索。

4月22日，《科學進展》刊登了浙江大學物理學院劉倍貝研究員與丹麥哥本哈根大學、瑞典隆德大學學者的聯合研究成果——從隕石同位素含量兩極化的現象入手，推演了太陽系形成之初的五百萬年間發生的故事。

他們提出，原行星盤氣體的外流像一雙“看不見的手”，參與了早期太陽系的塑造，影響了小天體和行星的形成。據此，他們構建出了早期太陽系早期天體形成的新模型。

隕石成分不均是關鍵線索

將時間線追溯到太陽系誕生后的五百萬年間，彼時的太陽系正處“童年期”，它的周圍環繞著一個扁平的氣體圓盤。這一氣體圓盤被稱為原行星盤，像行星們的共同“搖籃”，其自身漂浮的固體顆粒，可為行星成長所吸積。

作為“天外來客”的隕石——太陽系里的小行星、彗星或行星撞擊地球后產生的碎片，它們的母體也形成于同一時期同一“搖籃”。可以通過對隕石的研究，探索早期太陽系形成和演化的過程，解密過程好比破案。

按照物質成分，隕石可分為炭質隕石和非炭質隕石。炭質隕石含有更多的揮發性物質，包括含碳有機物和水等，而非炭質隕石則含有更多的難熔性金屬元素。學界認為，這種的差異源于隕石的母體形成時的位置。

“原行星盤越靠近太陽的位置，溫度就越高，揮發性物質含量就越低，以非炭質固體物質為主;越遠離太陽，溫度越低，以炭質物質為主。”劉倍貝根據研究，發現了一條新線索：這兩類隕石的同位素含量也大相徑庭。例如，從鈦和鉻的同位素角度分類，這兩大類隕石呈現明顯的分界。

“沒有發現任何一塊隕石處于中間地帶。”劉倍貝介紹，根據同位素測年法，隕石的形成時間橫跨整個原行星盤階段，它們吸積的固體物質通常而言是相互流通的，它們在組分上應該呈現一定的連續性，然而真實觀測則是兩極化，這一現象令天文學界尤為驚訝。

劉倍貝解釋道，兩極化的現象提示了在原行星盤中可能存在大尺度、長時間的物質隔離，讓人聯想到空間隔絕的可能性。

會不會有一種力量，讓原行星盤形成了彼此相互隔離的區域?有學者提出，這種力量來自于太陽系中的“大兄長”氣態巨行星木星，即“木星開溝”理論或許可以解釋隕石成分兩極化的現象。

組成物質的流動有時間差

“木星開溝”理論提出，木星的固體核在太陽系誕生之初的一百萬年內形成，它憑借其巨大的質量和強大的引力，在氣體盤中開一個深溝，完全阻斷后續固體顆粒的內流，內外盤的固體物質自此隔絕。

劉倍貝對此拋出疑問，如果木星真在氣體盤中開一個深溝而完全阻斷后續固體顆粒的內流，則內外盤的固體物質自此隔絕。那么內盤非炭質固體顆粒物會因快速遷移而消耗殆盡。這樣一來，普通球粒隕石和頑火輝石球粒隕石的母體就沒有可以吸積的非炭質固體顆粒物，就無法長大。

隕石測年研究表明，這兩種球粒隕石形成于太陽系誕生后的兩到三百萬年間，說明非炭質固體顆粒物還是能長時間流通且存在于內盤區域。

相反地，如果木星開的溝不夠深，就不能有效地阻擋固體顆粒的遷移，內外盤的物質還是流通的，就無法導致兩類隕石同位素的兩極化現象。“‘木星開溝’很難同時解釋我們采集、分析得到的太陽系隕石形成年齡和同位素含量這兩大觀測數據。”劉倍貝說。

還有什么物理機制能解釋隕石同位素的兩極化?有別于“木星開溝”導致的“空間尺度的隔絕”視角，研究人員嘗試從時間演化上的隔絕來解釋。

在太陽系的童年時期，原行星盤中的固體顆粒因會源源不斷從外盤區域遷移流向內盤。他們提出，研究這一過程應該充分考慮行星盤中氣體的運動，這點在過去的工作中被忽視了。

氣體盤中的流體遵循著動量守恒原則，盤內側區域的氣體向內流，最后被太陽吸積。與此同時，外盤的氣體向外流，不斷地擴充著氣體盤的外部疆域。“就像漲潮的海水，不斷地向外吞噬岸邊的沙灘。”劉倍貝表示。

考慮原行星盤氣體外流效應之后，他們重新對盤內固體顆粒物的遷移狀況進行了模擬，結果顯示，在盤外部氣體外流的推動下，固體顆粒物的遷移速率和方向發生改變，它們最終進入內盤的時間被大大延長。

“我們發現，初始位于25個日地距離以外的炭質固體顆粒需要經過三百萬年才會最終遷移進入內盤類地行星形成區。”劉倍貝說。

勾勒太陽系“童年期”的畫像

根據此次研究中指出的原行星盤氣體外流效應，三位研究人員重新“復盤”了太陽系“童年期原”行星盤內的固體物質的演化：在太陽系誕生之際，原行星盤內的固體顆粒物分布呈現較為明顯的兩極化，靠近太陽的位置內盤以非炭質固體顆粒為主;遠離太陽的外盤以炭質為主。在外盤的固體顆粒流入內盤之前，內盤非炭隕石(包括無球粒隕石、普通球粒隕石和頑火輝石球粒隕石)的母體們靠吸積耐火物質而形成。

與此同時，外盤的炭質球粒隕石母體吸積炭質顆粒物逐漸長大。在約兩至三百萬年之后，炭質顆粒物最終遷移進入內盤。

“早期，位于內盤的火星和地球吸積的是非炭質固體顆粒。在約兩至三百萬年之后，炭質顆粒物最終遷移進入內盤。此后地球和火星吸積炭質物質長大，因而它們的同位素含量是兩大類固體物質的混合。” 劉倍貝說，這也解釋了觀測上的火星和地球的同位素含量是介于這兩類隕石之間。

劉倍貝說，從現有的觀測出發，他們并不能對木星的形成時間給出更嚴格的限制。現今的木星位于距太陽5.2個日地距離處，木星形成的位置學界有兩種假說。一種認為木星為原位形成，成長過程中沒有大尺度的軌道遷移。另一種認為木星形成于外盤較遠處，距太陽大于10個日地距離。

“我們的模型更支持后者。”劉倍貝說，因為木星大氣中發現的諸多易揮發性元素包括碳、磷、氮和氬其含量均比太陽高出數倍之多，這一現象很難被原位形成理論解釋。相反地，如果木星內核形成在行星盤外部較冷的區域，以上易揮發性元素均以固態的形式存在。它們被木星內核吸積后可外溢進入木星的大氣層，產生以上觀測到的元素增豐。

此外，木星質量增長之余也與氣體盤相互作用，產生向內的軌道遷移。木星內移過程中不斷地散射沿途的炭質隕石母體進入內盤，產生了現今太陽系小行星帶的特有的群體分布和軌道構型。(洪恒飛 周煒 科技日報記者 江耘)

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