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火星是如何诞生的?科学家追溯到太阳系形成的时刻

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cosmos 发表于 2018-1-11 00:37:11 | 显示全部楼层 |阅读模式
火星和太阳系其余部分形成于46亿年前。但究竟行星是如何形成的仍然是一个争论的话题。目前,有两种理论认为冠军的作用。
4e5c0003d608c396713c ​太阳系形成之初


第一个也是最广泛接受的理论,核心吸积作用,很好地形成了像火星这样的类地行星,但在巨大的行星上存在问题。第二,磁盘不稳定的方法,可以解释这些巨大行星的产生。

科学家们正在继续研究太阳系中的行星,以更好地了解这些方法中哪一种是最准确的。

核心增长模型

最主要的理论,被称为核心吸积,是太阳系开始时是一个巨大的、团状的冷气体和尘埃云,被称为太阳星云。这个星云由于自身的重力而坍缩,并被压扁成一个旋转的圆盘。物质被拉到圆盘的中央,形成太阳。

其他物质颗粒粘在一起形成一团块叫做星子。其中一些组合形成小行星、彗星、卫星和行星。太阳风——带电粒子流从太阳流出——冲走了较轻的元素,如氢和氦,留下的大多是小而岩石的世界。然而,在外部区域,由于太阳风较弱,气态巨行星主要由氢和氦组成。

系外行星的观测似乎证实了核心吸积是主导形成的过程。拥有更多“金属”的恒星——天文学家使用氢和氦以外的元素——在它们的核心中有比它们的金属可怜的表亲更大的行星。根据美国国家航空航天局(NASA)的说法,核心吸积表明,小的、岩石的世界应该比更大的气态巨行星更常见。

2005年发现的一颗巨大的行星围绕着类似太阳的恒星HD 149026轨道运行,这是一个外行星的例子,它帮助加强了核心吸积的案例。

格雷格·亨利在一份新闻稿中说:“这是对行星形成的核心吸积理论的确认,也证明了这类行星的存在。”纳什维尔田纳西州立大学的天文学家亨利发现了星星的暗淡。

在2018年,欧洲航天局计划发射“太阳系外行星”(CHEOPS),该卫星将研究从超级地球到海王星的太阳系外行星。研究这些遥远的星球可能有助于确定太阳系中的行星是如何形成的。

“在核心的吸积场景中,行星的核心必须达到临界质量,然后才能以失控的方式加入气体。”CHEOPS团队说。

“这个临界质量依赖于许多物理变量,其中最重要的是星子增生的速率。”

通过研究不断增长的行星如何增加物质,CHEOPS将为世界的发展提供洞察。

核心吸积在18世纪晚期由伊曼努尔·康德(Immanuel Kant)和皮埃尔·拉普拉斯(Pierre拉普拉斯)首次提出。星云理论有助于解释我们太阳系中的行星是如何形成的。但随着“超级地球”行星的发现,围绕着其他恒星运行的行星,提出了一种新的理论,即磁盘不稳定性。

磁盘不稳定模型

尽管核心吸积模型对类地行星很好,但气态巨行星需要迅速进化,才能抓住它们所包含的大量较轻的气体。但模拟还无法解释这种快速形成的原因。根据模型,这个过程需要几百万年,比早期太阳系的轻气体还要长。与此同时,核心吸积模型面临着一个迁移问题,因为小行星很可能在短时间内螺旋上升到太阳。

根据一个相对较新的理论,磁盘不稳定,尘埃和气体聚集在太阳系生命的早期。随着时间的推移,这些团块慢慢地压缩成一个巨大的行星。这些行星的形成速度比它们的核心吸积物更快,有时甚至在一千年的时间里,使它们能够捕捉到快速消失的更轻的气体。它们还能很快到达一个稳定的轨道,使它们无法进入太阳。

根据太阳系外行星天文学家保罗·威尔逊(Paul Wilson)的说法,如果磁盘不稳定支配着行星的形成,那么它应该在大量的指令下产生大量的世界。这四颗巨大的行星围绕着恒星HD 9799旋转,为磁盘不稳定提供了观测证据。在它的恒星周围环绕着2000年的外行星,它也可以是一个通过磁盘不稳定形成的世界的例子,尽管这个星球也可能因为与它的邻居的相互作用而被驱逐。

卵石吸积

对核心吸积的最大挑战是时间——建造巨大的巨型气体巨人,足以抓住他们大气中较轻的成分。最近的一项研究表明,与早期的研究相比,小型的pebble大小的物体如何融合在一起,比早期的研究要快1000倍。

“这是第一个模型,我们知道,你从一个非常简单的结构开始从行星形成太阳星云,与巨大的行星系统,最终,我们看到的,”研究作者哈罗德·奥尔特西南研究所的天文学家(SwRI)在科罗拉多州,2015年告诉Space.com。

2012年,瑞典隆德大学(Lund University)的研究人员Michiel Lambrechts和安德斯·约翰森(Anders Johansen)提出,微小的卵石一旦被冲掉,就会成为快速建造巨大行星的关键。

他说:“研究结果表明,这种以前被认为不重要的形成过程中遗留下来的小石子,实际上可能是行星形成问题的一个巨大解决方案。”

Levison和他的团队建立在这一研究上,更精确地模拟了这些微小的卵石如何在今天的银河系中形成。在之前的模拟实验中,大中型物体以相对恒定的速度消耗着它们的pebble大小的表兄弟,Levison的模拟显示,更大的物体更像恃强凌弱者,从中等大小的物质中攫取小石子以更快的速度生长。

研究报告的作者之一、来自SwRI的凯瑟琳·克瑞克告诉Space.com网站说:“现在较大的物体会把较小的物体分散到较小的物体上,而较小的物体会把它们散射回来,所以较小的物体最终会被分散在卵石圆盘上。”“更大的家伙基本上是欺负较小的那个,这样他们就可以吃掉所有的鹅卵石,而且他们可以继续成长,形成巨大行星的核心。”

2018年,美国国家航空航天局将启动对火星的探测任务,研究火星的内部。

“但洞察力不仅仅是一个火星使命——这是一个类地行星explorer将解决的最基本问题之一的行星和太阳系科学——理解的过程,塑造了太阳系内部的岩石行星(包括地球)四十亿多年前,“据NASA。

“InSight试图回答科学最基本的问题之一:地球上的行星是如何形成的?”

缩小

火星是否从磁盘不稳定、核心或卵石添加开始,随着它的增加,它继续增加。模型表明,如果气体和尘埃能够顺利地通过太阳系传播,那么红色的行星应该和金星和地球一样大。相反,火星的质量只有10%,这表明它是在一个低行星的区域形成的。
4e5d00012b6de217ae75 ​火星地表


进入大头针模型,主导理论解释所谓的“小火星问题”。根据模型,木星和土星在他们出生后不久就朝着太阳迁移,然后像帆船一样被拖回太阳系外。沿着这条路,他们将会把本该提供火星形成的大部分碎片清扫掉。

另一种可能是在原行星盘中自然形成的低密度区域。

“如果这个部分的空隙足够长,它就可以保存在后来形成的行星和行星胚胎的分布中,”钱伯斯写道。“Izidoro所做的模拟显示,在火星目前的轨道上,减少50%到75%的行星建筑,有利于形成一个弱小的红色星球。”

另一种选择是火星实际上是从小行星带开始的,然后由于与行星的相互作用而向太阳移动。

“因为火星比小行星更大,所以当它把这些行星散射到木星上时,它就会失去能量,因为它把它们从太阳系中喷射出来,”Ramon Brasser,第一作者,东京技术的地球生命科学研究所的副教授,告诉Space.com。

加热和冷却

就像所有的行星一样,由于这些碰撞产生的能量,火星变得很热。地球内部的熔化和致密元素,如铁,下沉到中心,形成核心。较轻的硅酸盐形成了地幔,而最不密的硅酸盐形成了地壳。火星可能有几百万年的磁场,但随着地球变冷,磁场也随之消失。

年轻的火星上有活火山,火山表面喷出岩浆,将水和二氧化碳喷射到大气中。但火星上没有构造活动,因此火山在每次喷发时都保持静止和生长。

火山活动也可能使火星大气层更厚。火星的磁场保护地球免受辐射和太阳风的影响。研究表明,大气压力越大,火星表面的水可能就会流动。但大约35亿年前,火星开始冷却。火山爆发得越来越少,磁场也消失了。不受保护的大气被太阳风吹走,地表被辐射轰击。

在这些条件下,液态水不能存在于表面。研究表明,水被困在地下的液体和冰冻的形式,以及极地冰帽的冰层。

我们所知道的所有生命都需要液态水,所以在火星上找到它的证据是非常有趣的。
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