科学|漫游的太空岩石正在改变我们对太阳系诞生的认识
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在银河系中流动的大型岩石可能有助于孕育新生的太阳系
2017年 ， 一块形状怪异的岩石以一种不规则轨道横扫过太阳系 ， 离开的速度和到达的速度一样快 。 天文学家很快意识到它不是来自太阳系 。 它从上到下穿过行星的轨道平面 ， 就像一枚飞镖掷向一个圆靶的同心圆 ， 它移动得非常快 ， 快到无法被太阳的引力捕获 。 它的颜色也非常深 ， 但由于它的速度太快 ， 它的许多特性将永远保持神秘 。
但事实证明 ， 这颗被观测到的第一颗星际小行星并不是唯一的 。 这种情况可能并不罕见 。 天文学家们逐渐意识到 ， 像它这样的天体可能遍布整个星系 ， 数量之多可能会影响更大的世界的形成 ， 甚至可能影响整个行星系统——包括我们自己的星系 。
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这颗被命名为“奥陌陌”的小行星的出现 ， 戏剧性地证明了天文学的巨大变化：没有恒星是孤立形成的 ， 宇宙中充满了各种物质 ， 它们的相互作用的距离和时间跨度远远超过了研究人员长期以来的认识 ， 从星际空间中流动的难以想象的巨大气体射流 ， 到像蒲公英种子一样散落在宇宙中的类行星碎屑 。
这种认识正在改变天文学家对恒星系统形成的看法 。 例如 ， 研究行星系统诞生的研究人员以前从未考虑过天体物理气体流动等问题 。 新的想法已经开始为各种系外行星之谜提供潜在的答案 。 例如 ， 行星在恒星的生命周期中’孵化‘的时间似乎比天体物理学家认为的要早得多 。 此外 ， 巨大的行星似乎是从相对较少的气体和尘埃中’生长‘出来的 。
所有这些都指向一个明显的事实：行星科学家们对行星的形成过程还没有一个准确的理解 。 但是现在 ， 随着来自这些不同学科的想法的迅速融合 ， 研究人员开始对行星的形成过程有了更坚实的了解 。 从一粒种子变成一颗行星
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去年 ， 在瑞士举行的一次关于“奥陌陌”的会议上 ， 德国朱利奇研究中心的天文学家法尔兹纳不经意间问行星专家班尼斯特 ， 如果来自星际空间的某个类似奥陌陌的物体穿过围绕一颗年轻恒星的圆盘 ， 会发生什么 。 班尼斯特是关于“奥陌陌”的早期论文的作者之一 ， 他想了一会儿 。 “奥陌陌大约有100米长 ， 大到足以在翻滚的尘埃和气体云中激起涟漪 。
班尼斯特和法尔兹纳在4月份发表于《天体物理学杂志快报》的一篇论文中指出 ， 像“奥陌陌”这样的岩石可能是行星形成的催化剂 。 他们说 ， 宇宙中可能有无数这样的天体在航行 。 当一颗年轻的恒星被一层翻滚的气体和尘埃包围时 ， 它可能会引起扰动和剪切 ， 从而搅动气体 ， 将其塑造成行星的图案 。
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此外 ， 他们认为 ， 类似于奥陌陌的天体可能会以合适的速度移动 ， 成为永久居民 。 初期的太阳系可以捕捉到大量的星际旅行者 。 在他们的’新家‘ ， 这些移民开始收集’小石子‘和’灰尘颗粒‘ ， 成长为更大的物体 。 在这样做的过程中 ， 它们将为“卵石吸积”提供基础 ， 卵石吸积是一种解释大型物体如何能迅速成长为行星的理论 。
阿塔卡马大型毫米阵列等望远镜最近的观测显示 ， 行星在年轻恒星周围迅速形成 。 班尼斯特说 ， 根据天文学家对行星形成的了解 ， 这似乎很奇怪 ， 但闯入者可能正在提供帮助 。 然而 ， 这些想法只有在宇宙中有大量类似于奥陌陌的物体时才会发挥作用 。 要直接找到它们几乎是不可能的 。
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【科学|漫游的太空岩石正在改变我们对太阳系诞生的认识】
班尼斯特说 ， 行星种子的概念甚至可以解释为什么没有人在银河系最早的恒星周围发现极其古老的行星 。 “也许在银河系的早期历史上 ， 我们没有足够的种子 ， ”她说 。 “也许(这些行星)形成得更慢 ， 而且可能效率更低 。 ”然而 ， 如果这些类似于奥陌陌的岩石能够解释为什么在遥远的过去行星如此稀少 ， 以及为什么今天行星的形成如此之快 ， 那么就提出了一个新的问题 ， 最初的种子是从哪里来的？宇宙碰撞
气体和尘埃以巨大的轨道围绕年轻的恒星旋转 ， 这些圆盘被湍流搅动 ， 并充满漩涡 。 不知何故 ， 这些圆盘中的尘埃颗粒结合起来形成毫米大小的岩石颗粒 ， 称为球粒 。 它们是太阳系中最常见的太空岩石陨石粒的主要成分 。
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由于球粒陨石是常见的 ， 所以在行星形成时 ， 球粒一定是一种常见的成分 。 它们是最早的固体 ， 它们帮助确定太阳系及其基本构件 。 研究人员对球粒如何聚集在一起形成更大的球粒有一些想法 。 但是 ， 即使有今天最好的计算机模拟和对其他行星系统的最精细的观察 ， 对于球粒本身是如何形成的还没有达成共识 。 就好像太阳系是由几十座砖房组成的 。 研究人员了解了砖砌房子的过程 。 但是砖是什么做的呢?
斯图尔特说 ， 部分问题在于 ， 没有一种模型能够满足所有球粒的特殊性质 。 这些微小的火成岩团一定是在高达2000摄氏度的高温下突然融化的 ， 这种极端状态是太阳系形成的最佳模型难以重现的 。
斯图尔特提出了另一种可能性 。 她说 ， 由剧烈的汽化碰撞引起的气体流动可以把最小的熔融岩石液滴挤在一起 ， 它们开始结合 。 这个想法的独特之处在于 ， 它将天体物理学与行星形成过程结合起来 ， 这是研究人员以前从未做过的 。
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斯图尔特研究了一个奇怪的新行星阶段 ， 叫做合星 ， 她和加州理工学院的行星科学家西蒙·洛克在2017年提出 ， 这个阶段用来描述月球的形成 。 合星是一种膨胀的岩石云 。 在合并过程中 ， 构成地球和月球的物质会完全混合 。 这个过程将从围绕年轻太阳的原始岩石星子开始 。 他们可能是像“奥陌陌”这样的闯入者 。 无论它们的起源是什么 ， 它们都是大量存在的 ， 它们会在充满气体的太阳星云内相互碰撞 。
当这些原始的星子相撞时 ， 它们会蒸发 ， 它们的蒸汽会膨胀成太阳星云 。 这种汽化作用产生的热量和力如此之大 ， 会产生一种弓形激波 ， 类似于飞机通过音障时产生的声波激波 。 弓形激波将星云气体推出 ， 形成一个低压中心区域 。 然后 ， 当蒸汽羽流坍缩到这个低压区域时 ， 气体流会将蒸发的岩石液滴引导到一起 。 蒸汽羽流的膨胀及其随后的坍塌会产生与球粒大小一致的硅酸盐液滴 。
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这一切都发生在一瞬间——从几天到几周 ， 在行星的时间尺度上是瞬时的 。 但是斯图尔特说 ， 这个短暂而剧烈的过程显然对我们太阳系的形成至关重要 。 她指出 ， 星云气体的作用 ， 以及它如何与蒸发的岩石相互作用 ， 在此之前还没有被认识到 。 但是为了使产生球粒的想法发挥作用 ， 斯图尔特仍然需要一颗最初的种子——相互碰撞的小星子来形成球粒 。 斯图尔特和她的同事们说 ， 这些种子的来源是以后研究的一个问题 。 宇宙连接
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斯图尔特对球粒和班尼斯特的研究 ， 以及普法兹纳关于行星形成的观点 ， 都是一种新兴认识的一部分 ， 即即使在太空中 ， 一切都是相互关联的 。 你必须在天体物理学中经历大量不同的领域：星际介质、分子云、恒星的形成、它们周围的圆盘、行星的形成等 。
未来天文台的数据 ， 如大型天气观测望远镜(LSST) ， 可能会加强对跨越许多不同尺度的思考的需要 。 LSST可能能够解决我们太阳系中的“小石子” ， 让天文学家能够寻找更多类似于奥陌陌的天体 。 伯恩说:“我认为 ， 如果我们的太阳系充满了来自其他太阳系的星际碎片 ， 那将是非常非常令人兴奋的 。 ”LSST将开启一个全新的世界 ， 一个跨越时间和空间将我们的太阳系与整个宇宙的其他太阳系连接起来的世界 。
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