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物理与天文学院刘尚飞副教授在《自然》发文揭示了木星稀释核结构的成因


稿件来源:物理与天文学院 | 作者:物理与天文学院 | 编辑:许佳、郝俊 | 发布日期:2019-08-16 | 阅读次数:


        由我校物理与天文学院刘尚飞副教授与日本、瑞士、美国及国内的研究人员组成的科研团队使用超级计算机对木星内部结构形成与演化开展了研究,揭示了木星演化中的重要一环:在大约45亿年前木星捕获并吞噬了一个约十倍地球质量的行星胚胎,巨大的撞击瓦解了木星的原初致密核。这一新模型完美地解释了令人费解的木星稀释核结构的形成机制。该研究成果以“The formation of Jupiter’s diluted core by a giant impact”为题于北京时间8月15日凌晨1点在线发表于著名期刊《自然》(Nature)。

 

在太阳系的早期,年轻的木星在成长阶段引力扰动增强使其轨道附近的一个

行星胚胎与木星发生了碰撞(艺术想象图)。 [图片来源:日本天体生物学中心]

 

        美国宇航局的朱诺号(Juno)木星探测器自从2016年7月飞抵木星以来,传回了大量的新数据,大大加深了人类对这颗太阳系中最大的行星的认识。除了对木星表层及磁场等研究外,朱诺号还对木星引力场进行了精密测量。研究表明木星核的大小远远超过了理论预期,接近自身半径的一半,并且其密度也偏低。“这就是所谓的木星的稀释核,它说明木星核除了含有岩石和冰等密度大的物质成分外,还混入了大量的低密度的氢和氦,并且木星的核与外层由氢和氦主导的气体包层间并没有以前认为存在的明显的分界线”,刘尚飞说道。

        木星的稀释核结构一度让研究人员十分困惑,因为行星形成理论认为木星的形成是在一个小而致密的核形成后再从原始太阳星云中吸积了大量的氢和氦从而形成了气体包层。“木星稀释核的存在表明有某种机制导致了原初致密核中的物质与气体包层中的氢和氦发生了混合,并且稀释核不同寻常的大小很难通过行星内部演化形成,而更像是经过了某种剧烈地过程导致的混合” ,刘尚飞补充说,“正是由于理论与探测器发回的数据之间存在的尖锐矛盾启发了我们提出大撞击理论。”

        行星间发生碰撞在行星形成过程中是非常普遍的现象。例如我们的月球就是由于一颗火星大小的行星与地球发生碰撞后形成的。有证据表明其他的类地行星以及冰巨星天王星也经历过碰撞过程。刘尚飞说:“这是人们首次在气体巨行星上找到发生行星碰撞的直接证据。”利用计算机模拟研究了上万个太阳系早期的演化模型,刘尚飞副教授与合作者们发现在气体包层快速增长阶段的木星会对周围正在形成中的行星胚胎产生强大的引力扰动,其后果是有接近一半的概率木星会在接下来的几百万年的时间内与另一颗原行星发生碰撞。“因为木星的引力非常强,导致这样的碰撞过程接近正碰。因此如果另一颗行星的质量接近十倍地球质量就会像子弹一样穿透木星巨大的气体包层直接打碎原初的致密核,”刘尚飞说,“我们也模拟了非正碰或者发生碰撞的行星质量较低的情形,结果都不能形成稀释核。由于碰撞是一个随机过程,我们有理由相信土星在形成过程中可能也会经历类似的过程。那么这就提供了一个很好的角度来研究木星和土星内部结构差异的起源。这也是未来我们工作的一个方向。”

 

具有原初致密核的木星与一个十倍地球质量的行星胚胎发生碰撞,结果导致稀释核

的产生。图中的颜色表示物质密度  [图片来源:刘尚飞]

 

        进一步的长期热演化模型验证了这种由碰撞产生的木星内部结构可以稳定存在长达46亿年,即太阳系的年龄。因此研究团队找到了迄今合理解释木星的稀释核成因的最佳理论模型(审稿人评价“I find that the manuscript now proposes an explanation that can be considered as the best one available to explain the existence of a diluted core.”)。

        “这项研究对于系外行星的研究也有启发性意义,因为目前我们发现的几千颗系外行星中,有一部分是既知道质量也知道大小的。那么我们就能推算出系外行星的平均密度。其中有一些系外行星的平均密度很大,有一个可能的解释就是这些行星经历了行星撞击过程,导致其损失了大量的氢和氦”,刘尚飞说。

        据悉,我国的太阳系深空探测计划也包括了在2030年左右对木星系开展深空探测。刘尚飞说:“我希望到时候可以用上中国的探测器的数据来研究木星的形成与演化。”

        我校物理与天文学院刘尚飞副教授是该论文第一作者与通讯作者,中山大学是第一署名单位。参加该项研究的科研人员还包括,日本天体生物学中心堀安範博士、瑞士苏黎士大学理论天体物理与宇宙学中心Ravit Helled教授和博士研究生Simon Müller、清华大学天文系郑晓晨博士、美国艺术与科学学院院士加州大学圣塔克鲁兹分校天文与天体物理系林潮教授,以及美国莱斯大学物理与天文系Andrea Isella助理教授。

        行星科学是我校物理与天文学院的重点发展方向,通过积极引进海内外优秀人才,已经形成了一支包含6名专任教师在内的10多人的科研团队,不断取得具有国际显示度的科研成果,本次刘尚飞副教授在国际顶级刊物上发表论文,标志着我校在行星科学研究领域取得了突破性进展。

 

        论文链接https://www.nature.com/articles/s41586-019-1470-2 

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