新的物理模型解释了我们太阳系中水的来源

admin 2018-05-15

通过木星的生长而散射到太阳系内部的物体带来了现在在地球上发现的大部分水。 NASA

一位年轻的巴西研究员和他的前博士后导师刚刚提出了一种新的物理模型,以配合牛顿的万有引力定律(330年前发表于Principia)和强大的计算资源(用于将法律应用于10,000多个相互作用的机构)解释地球上水的起源以及太阳系中其他类似地球的物体。

文章“内部太阳系中的水的起源:木星和土星的快速积气期间向内散射的平行星”在行星科学杂志“伊卡洛斯”上发表。

这篇文章的作者是AndréIzidoro,隶属于圣保罗州立大学Guaratinguetá工程学院(FEG-UNESP),并得到了FAPESP的青年研究者资助和美国天体物理学家Sean Raymond的支持,他目前在波尔多天体物理学法国实验室。

“地球上的水主要来自小行星的想法并不新鲜。这实际上是研究人员的共识。从这个意义上说,我们的工作并不具有开创性。我们所做的是将小行星的贡献与木星的形成联系起来。根据最终的模型,我们“向地球提供了与当前估计值相一致的水量”,Izidoro告诉AgênciaFAPESP。

估计地球上的水量差异很大。如果计量单位是陆地海洋,一些科学家提到其中三到四个,而其他科学家估计有几十个。这种变化来源于这样一个事实,即行星热幔及其岩石地壳中的水量是未知的。无论如何,所提出的模型涵盖了全部的估计。

“首先,把地球通过非常遥远的地区的彗星的影响收到所有的水的想法放在一边很重要。这些'交付'也发生了,但他们的贡献来得晚,在百分比方面远没有那么重要,“伊齐多罗说。 “我们的大部分水在地球形成之前就已经进入了地球轨道所占据的地区。”

为了理解这是怎么发生的,值得重申太阳系形成的传统模型中定义的情景,然后添加新的水模型。最初的情况是巨大的气体和宇宙尘埃云。由于某种引力干扰或局部湍流,云层崩塌并被成为中心的特定内部区域吸引。

随着物质的积累,在大约45亿年前,该中心变得如此巨大和热烈,以至于它开始了核聚变过程,从而将其转化为明星。与此同时,剩下的云继续绕着中心轨道运行,其物质凝聚成一个圆盘,后来被分割以定义原行星生态位。

“这个磁盘的富含水的地区据估计位于我们太阳的几个天文单位。在更靠近恒星的内部区域,温度对于水的积聚来说太高了,除了可能只有非常少量的蒸气形式,“Izidoro说。

天文单位(AU)是地球到太阳的平均距离。该地区介于1.8 AU和3.2 AU之间,目前被小行星带占据,拥有数十万个物体。位于1.8 AU和2.5 AU之间的小行星主要是缺水的,而位于2.5 AU以下的小行星则富含水。根据Izidoro的说法,木星形成的过程可以解释这个分裂的起源。

他说:“太阳形成与气体盘完全散失之间的时间在宇宙音乐的规模上很短:从只有500万到最多1000万年。 “木星和土星这样巨大的气体巨人的形成只能发生在太阳系这个年轻的阶段,所以正是在这个阶段,木星的快速生长引力扰乱了成千上万的富含水分的小行星,将它们从原来的轨道上移开“。

木星被认为具有坚固的核心,质量相当于地球的几倍。这个核心被一层厚厚的气体所包围。当太阳星云阶段,系统正在形成并且有大量的气体物质可用时,木星只能获得这种包裹。

由于木星的胚胎质量很大,通过引力吸收这种气体的速度非常快。在巨大行星的附近,位于“雪线”之外的成千上万颗行星(类似于小行星的岩石体)围绕着盘的中心,同时相互吸引。

木星质量的迅速增加破坏了这个体系与许多物体的脆弱的引力平衡。几颗平行星被原木木星吞噬。其他人被推到了太阳系的郊区。此外,少数人投掷到盘的内部区域,向后来形成陆地行星和小行星带的物质输送水。

“地球形成的时间可以追溯到太阳形成后3000万至1.5亿年之间,”伊齐多罗说。 “当发生这种情况时,我们的行星形成的圆盘区域已经包含大量的水,由木星和土星分散的星子传递。一小部分地球水可能是后来通过与彗星和小行星碰撞而到达的。内源物理化学过程可能在局部形成更小的比例。但其中大部分都带有星子。“

他的论点得到了他与他的前任主管一起建立的模型的支持。 “我们使用超级计算机通过Fortran中的数值积分器模拟多个物体之间的重力相互作用,”他解释说。 “我们引入了一种修改,以包括行星形成时代中介质中存在的气体的影响,因为除了所有正在发生的重力相互作用外,星子还受到所谓的”气体拖',这基本上是一个'风'吹向他们的运动相反的方向。这种效果与骑车人在运动中感受到的力量相似,因为空气分子与他的身体碰撞。“

由于气体阻力,最初由木星散射的非常细长的星子轨道逐渐“环化”。正是这种效果将这些物体植入了现在的小行星带。

这种类型模拟中的一个关键参数是过程开始时太阳星云的总质量。为了达到这个数字,Izidoro和Raymond使用了一个在20世纪70年代早期提出的模型,该模型基于当前在太阳系中观测到的所有物体的估计质量。

为了补偿在系统形成过程中由于物质喷射造成的损失,该模型校正了不同物体的当前质量,使得重元素(氧,碳等)和轻元素(氢,氦等)的比例)等于太阳的那些。其基本原理是气盘和太阳的成分相同的假设。在这些改变之后,获得原始云的估计质量。

“此外,我们的新模型还考虑了现有小行星的不同尺寸,其范围从几公里到数百公里不等,因为气体比其它小行星更容易影响小行星,”Izidoro说。

基于这些参数的模拟可以在这个动画中看到:

横轴表示在AU中到太阳的距离。沿垂直轴绘制物体的轨道偏心率。随着动画的进展,它展示了系统在形成阶段的演变过程。两颗黑点分别位于5.5 AU和7.0 AU以下,分别对应木星和土星。在动画期间,这些物体在从原行星云中增加气体时生长,并且它们的生长使得星子不稳定,使它们沿各个方向散射。分配给星子的不同颜色仅用于显示它们的起始位置以及它们如何分散。灰色区域标记小行星带的当前位置。时间过去了数千年,如图表顶部所示。

第二个动画增加了一个关键成分,它们是木星和土星在其成长过程中向靠近太阳的位置迁移。

所有关于尸体之间的引力相互作用的计算都是基于牛顿定律。数字集成者使研究人员能够计算不同时间的每个身体的位置,这对于没有超级计算机的大约10,000个身体来说是不可能的。

出版物:Sean N.Raymond和Andre Izidor,“内部太阳系中的水的起源:在木星和土星的快速气体增生过程中,平面向内散射,”Icarus,2017; DOI:10.1016 / j.icarus.2017.06.030

资料来源:AgênciaFAPESP的JoséTadeu Arantes


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