行星碰撞後降低內部壓力,可解決行星形成模型矛盾點

作者 | 發布日期 2019 年 09 月 05 日 14:13 | 分類 天文 , 自然科學 follow us in feedly


地球地函存有令人費解的化學特徵,長期以來一直與行星形成模型相互矛盾,不過最近加州理工學院科學家提出了能解決模型衝突的機制。新研究指出,一場劇烈的行星碰撞,可以大幅降低行星內部壓力,進一步解釋如今地球地函的化學結構。

當前最被廣泛接受的行星形成模型為「星雲假說」,指出行星系統起始於塵埃雲盤,當星雲密度足夠高時,開始在本身重力作用下塌縮,而星雲中的微塵顆粒也不斷碰撞形成微行星,微行星再成長合併為最終型態──行星。

然而這些碰撞的能量可使行星大部分區域蒸發,導致行星看起來根本不像行星,更像一個熔融甜甜圈,這也就是行星科學家莎拉‧史都華(Sarah Stewart)於近年提出的「Synestia 理論」:地球可能曾經和木星一樣,是個熱到沒有固態表面的行星,且當時外觀也不是如今的球狀天體,而是像甜甜圈的環形材料,後來才冷卻成一個或多個球體(包括地球與月亮)。

現在,莎拉‧史都華與加州理工學院博士後研究員 Simon Lock(曾經是莎拉‧史都華的學生),利用這種行星結構來模擬質量介於地球 0.9~1.1 倍的行星相撞結果,發現碰撞之後,行星的內部壓力遠低於預期。

研究人員表示,壓力降低可能是很多種機制共同作用的結果,碰撞之後,物質快速旋轉產生了一種抵抗重力的離心力,本質上會推開材料遠離旋轉軸,導致快速旋轉的物體和質量相同但緩慢旋轉的天體相比,內部壓力低得多,以月球為例,團隊證明在碰撞後,月球當時內部壓力可能不到現今地球的一半。

而由於行星形成過程中,金屬會不斷被輸往地函,接著金屬從地函吸收少量其他元素沉入核心,至於溶解到金屬中的元素含量,由地球當時的內部壓力決定,也就是說地函的化學成分記錄了行星形成期間的壓力變化。

如果團隊新理論屬實,則可能有助於解釋地球地函化學特徵與行星形成模型之間,長期衝突的矛盾點。接下來,團隊希望理解隨著行星從大碰撞中恢復後壓力急劇增加,對地函的凝固有何影響。新論文發表在《科學前緣》(Science Advances)期刊。

(首圖來源:加州理工學院

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