為什麼火星比地球小這麼多?

作者 | 發布日期 2015 年 11 月 08 日 0:00 | 分類 天文 follow us in feedly
台北天文館 配圖

美國西南研究所(Southwest Research Institute,SwRI)天文學家 Hal Levison 等人,透過建立一種新的行星形成過程的電腦數值模擬程式,認為行星是經由礫石(pebble)這樣小的天體逐漸成長起來的。由這樣的成長模式,這些天文學家重建了含地球、金星與火星等天體在內的太陽內側結構,可以解釋為什麼火星會比地球小這麼多;相同的成長模式,也可用來解釋在木星和土星這樣的氣體巨行星為何形成速度如此快速的問題。



火星的質量僅約地球的十分之一而已,為何相鄰的兩顆行星差異卻這麼大這件事,困惑了太陽系理論學家們很久了。在行星形成標準模型中,類似大小的天體是透過所謂的「吸積(accretion)」過程累積成長,岩石和其他岩石堆積成了山岳級天體,山與山合併成了城邦級天體,之後以此類推。然而,典型的吸積模型既然能產出大小很接近的地球和金星,想當然爾,火星應該也與地球相差無幾,甚至應比地球還要大。此外,這些模型也高估了小行星帶的總質量,所以顯然標準模型必定有某些需要改進之處。

Levison 等人直接從行星形成過程下手改善。他們的數值模擬結果證明:透過所謂的「黏滯性攪動礫石吸積(Viscously Stirred Pebble Accretion,VSPA)的行星成長模式,內太陽系的結構真的就自然地成為現今所見的模樣。在 VSPA 模式下,塵埃直接成長成礫石這種直徑只有幾公分到 10 幾公分的小天體,而後一部份礫石因重力塌縮(gravitationally collapse)而逐漸形成小行星等級的天體。在適當條件下,這些原初小行星能高效率的吞併殘餘的礫石,藉由氣動阻力(aerodynamic drag)將這些礫石拽著繞原初小行星而轉,且愈繞愈近,最終落在小行星上,原初小行星因此得以藉由這樣的過程長大至行星級天體。這樣的過程可以讓某幾個小行星在很短的時間內就變成行星。

然而,這個新模擬結果也發現原初小行星聚集礫石而長大的機會並非都相同。例如:穀神星直徑 1,000 公里左右,是火星與木星之間的小行星帶內最大的天體; 一顆穀神星級的天體,在目前地球軌道所在位置時的成長速率極快,但若處在目前火星軌道以外的位置,會因氣動阻力太微弱,無法捕捉並碰撞殘餘礫石而使成長效率偏低,這就是火星為何比地球小這麼多的原因。

同理,小行星帶比火星更遠,捕捉碰撞殘餘礫石的機會更低,所以小行星帶的總質量才會不如標準模型預測的那麼多。因此,這個數值模擬對小行星帶的歷史涉入頗深,以前的模擬都預測小行星帶最初含有數倍地球質量的物質,顯示有行星開始在此成長,而新模擬卻認為小行星帶從始至今的質量就不多。新舊數值模擬之間,利用流星、遙測和太空任務等各種觀測方式,就可驗證其預測的正確性與科學關連,這讓 Levison 等人頗感興奮與驕傲。

(本文由 台北天文館 授權轉載) 

關鍵字: , , , ,

發表迴響