完全混乱:科学家揭示了太阳系的早期历史

由苏黎世联邦理工学院和国家行星研究中心(NCCR)PlanetS领导的一个国际研究小组,比以往任何时候都更准确地再现了几个小行星的早期历史。他们的发现表明,早期的太阳系比以前假设的更加混乱。

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在地球和其他行星形成之前,年轻的太阳被宇宙气体和尘埃所包围。慢慢地,在几千年的时间里,不同大小的岩石碎片从灰尘中形成。其中许多成为后来行星的构件。其他的没有成为行星,今天继续围绕着太阳,例如小行星带中的小行星。

来自苏黎世联邦理工学院和国家行星研究中心(NCCR)PlanetS的研究人员与一个国际团队一起分析了作为陨石落在地球上的小行星核心的铁样本。在这样做的过程中,他们揭示了它们在行星形成过程中的部分早期历史。他们的成果最近发表在《》杂志上。

早期太阳系的见证者

研究的主要作者、苏黎世联邦理工学院和NCCR PlanetS的研究员Alison Hunt 解释说:“以前的科学研究表明,太阳系中的小行星自数十亿年前形成以来一直保持相对不变。因此,它们是一个档案,其中保存了早期太阳系的条件。”

但是为了打开这个档案,研究人员必须彻底准备和检查地外材料。研究小组从18个不同的铁陨石中提取样本,这些陨石曾经是小行星金属核心的一部分。为了进行分析,他们必须溶解这些样本,以便能够分离出钯、银和铂等元素进行详细分析。在质谱仪的帮助下,他们测量了这些元素的不同同位素的丰度。同位素是特定元素的不同原子,在这种情况下,钯、银和铂,它们的原子核中都有相同数量的质子,但中子的数量不同。

在我们太阳系的最初几百万年里,金属小行星的核心被同位素的放射性衰变所加热。当它们开始冷却时,由放射性衰变产生的一种特定的银同位素开始积累起来。通过测量铁质陨石内现今的银同位素比率,研究人员可以确定小行星核心冷却的时间和速度。

结果显示,冷却是迅速的,很可能是由于与其他天体的严重碰撞而发生的,这些碰撞打破了小行星的绝缘岩质地幔,使其金属核心暴露在太空的寒冷中。虽然以前基于银同位素测量的研究已经表明了快速冷却,但时间仍然不清楚。

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“我们对铂金同位素丰度的额外测量使我们能够纠正银同位素测量中因宇宙对样品的照射而造成的扭曲。因此,我们能够比以前更精确地确定碰撞的时间,”Hunt报告说。“令我们惊讶的是,我们检查的所有小行星核心几乎是同时暴露的,在太阳系形成后780万到1170万年的时间范围内。”

不同小行星的近乎同时的碰撞向研究小组表明,这一时期一定是太阳系非常不稳定的阶段。Hunt说:“在那个时候,所有的东西似乎都砸在了一起。而我们想知道为什么?”

从实验室到太阳星云

该小组考虑了不同的原因,将他们的结果与太阳系发展的最新、最复杂的计算机模拟的结果相结合。这些来源加在一起,可以缩小可能的解释。

“最能解释太阳系早期这一高能量阶段的理论表明,它主要是由所谓的太阳星云的消散造成的,”研究报告的共同作者、NCCR PlanetS成员、苏黎世联邦理工学院宇宙化学教授Maria Schönbächler解释。“这个太阳星云是宇宙云中剩余的气体,太阳就是从那里诞生的。”Schönbächler说:“在几百万年里,它仍然围绕着年轻的太阳运行,直到它被太阳风和辐射吹走。”

当星云还在的时候,它减慢了在其中围绕太阳运行的天体的速度–类似于空气阻力减慢一辆行驶中的汽车。研究人员认为,在星云消失后,由于缺乏气体阻力,小行星得以加速并相互碰撞–就像被调到涡轮模式的碰碰车。

“我们的工作说明了实验室测量技术的改进如何使我们能够推断出发生在早期太阳系的关键过程–比如太阳星云可能在什么时候消失。像地球这样的行星在那个时候仍然处于诞生的过程中。”Schönbächler总结说:“最终,这可以帮助我们更好地了解我们自己的行星是如何诞生的,同时也让我们了解到太阳系以外的其他行星。”

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