研究发现太阳系原行星盘中存有一个神秘空隙

麻省理工学院(MIT)和其他地方的科学家对古代陨石的一项新分析表明，约在45.67亿年前，在小行星带今日所处的位置附近，这个圆盘中存在着一个神秘缺口。

该团队成果于2021年10月15日发表在《Science Advances》上，为这个缺口提供了直接证据。

“在过去的十年里，观察结果表明，空洞、空隙和环在其他年轻恒星周围的盘中非常常见，”麻省理工学院地球、大气和行星科学系(EAPS)EAPS的行星科学教授Benjamin Weiss说道，“这些都是气体和尘埃转变为年轻太阳和行星的物理过程的重要但不为人知的标志。”

同样，在我们自己的太阳系中出现这种缺口的原因仍是一个谜。一种可能性是，木星可能是一种影响。当这个气体巨头成形时，它巨大的引力可能将气体和尘埃推向外围并在发展中的圆盘上留下了一个缺口。

另一种解释可能跟从圆盘表面出现的风有关。早期的行星系统受强磁场的支配。当这些磁场跟旋转的气体和尘埃盘相互作用时，它们可以产生强大的风，这足以将物质吹出去并在盘中留下一个缺口。

无论其起源如何，早期太阳系中的缝隙很可能是一个宇宙边界，使其两侧的物质无法相互作用。这种物理分离可能塑造了太阳系行星的组成。像在缝隙的内侧，气体和尘埃凝聚成陆地行星--包括地球和火星，而被归入缝隙较远一侧的气体和尘埃则在较冷的地区形成，像木星及其邻近的气体巨行星。

“穿越这个缺口相当困难，一颗行星需要大量的外部扭矩和动力，”论文的主要作者和EAPS的研究生Cauê Borlina说道，“因此，这提供了证据，它表明我们的行星的形成被限制在早期太阳系的特定区域。”

Weiss和Borlina的共同作者包括MIT的Eduardo Lima、Nilanjan Chatterjee和Elias Mansbach、牛津大学的James Bryson以及清华大学的Xue-Ning Bai。

空间的分裂

在过去的十年时间里，科学家们观察到了进入地球的陨石成分中的一种奇怪的分裂。这些太空岩石最初在太阳系形成的不同时间和地点形成。那些已经被分析过的陨石表现出两种同位素组合中的一种。很少有陨石被发现同时表现出两种同位素--一个被称为“同位素二分法”的难题。

科学家们提出，这种二分法可能是早期太阳系圆盘中的一个缺口造成，但这种缺口还没有得到直接证实。

Weiss的研究小组则通过对陨石的分析希望以此找到古代磁场的迹象。当一个年轻的行星系统成形时，它携带着一个磁场，其强度和方向可以根据不断演变的盘内的各种过程而改变。当古代尘埃聚集成被称为软骨颗粒的时候，软骨颗粒内的电子跟它们形成的磁场相一致。

软骨颗粒可以比人类头发的直径还要小，并且在今天的陨石中被发现。Weiss的小组专门测量软骨颗粒从而确定它们最初形成的古代磁场。

在以往的工作中，该小组分析了两个同位素组的陨石中的一个样本--被称为非碳质陨石。这些岩石被认为起源于一个“容器”或早期太阳系中相对靠近太阳的区域。Weiss的研究小组之前在这个靠近太阳的区域的样本中发现了古代磁场。

陨石的错配

研究人员在他们的新研究中想知道磁场是否会在第二组同位素的“碳质”陨石中出现，从它们的同位素组成来看，它们被认为起源于太阳系的更远处。

他们分析了在南极洲发现的两块碳质陨石的软骨颗粒，每块的尺寸约为100微米。通过使用超导量子干涉装置即SQUID--Weiss实验室里的一台高精度显微镜，研究小组确定了每个软骨颗粒的原始、古代磁场。

令人惊讶的是，他们发现它们的磁场强度比他们之前测量的更接近非碳质陨石的磁场强度要强。由于年轻的行星系统正在形成，科学家们预计，磁场的强度应该随着跟太阳的距离而衰减。

相比之下，Borlina和他的同事们发现远处的软骨矿有一个更强的磁场，约是100微特斯拉，而在较近的软骨矿中，磁场是50微特斯拉。作为参考，今天地球的磁场约为50微特斯拉。

一个行星系统的磁场是衡量其吸积率的一个标准，或是说它能在一段时间内把气体和尘埃吸到其中心的数量。根据碳质软骨柱的磁场，太阳系的外部区域一定比内部区域增加了很多质量。

通过使用模型模拟各种情况，研究小组得出结论--对吸积率不匹配的最可能的解释是在内部和外部区域之间存在一个缺口，这可能减少了从外部区域流向太阳的气体和灰尘的数量。

Borlina说道：“间隙在原行星系统中非常常见，我们现在（研究）表明在我们自己的太阳系中也有一个。这给出了我们在陨石中看到的这种奇怪的二分法的答案，并还提供了差距影响行星组成的证据。”