地球的组成部分可能来自太阳系更远的地方

地球在 45 亿年前通过 吸积. 地球的基石是大小不一的大块岩石。 从尘埃到小行星以及介于两者之间的一切。 许多这些岩石块是 碳质陨石,科学家认为它们来自主要小行星带外围的小行星。

但一些证据并不能很好地支持这一结论。 一项新的研究表明,一些形成地球的陨石来自太阳系更远的地方。

星云假说 是对太阳系形成的广泛接受的解释。 它说一团气体和尘埃在重力作用下坍塌并形成了一个旋转的圆盘。 太阳在圆盘的中心形成,其他一切都是由剩下的东西形成的。

太阳系的一个关键特征是霜线。 霜线将太阳系分为两个区域。 在霜线之外,它足够冷,挥发物可以凝固成冰粒。 挥发物包括水、氨、二氧化碳、一氧化碳和甲烷。 在霜线内,太阳的能量加热周围的物质并分解挥发物。 然后太阳的太阳风将它们推离内部区域。 一旦超过霜线,它们就会凝固。 结果,内部材料更加干燥和多岩石,而寒冷的外部区域则更加冰冷。

霜线并不总是在同一个地方。 随着太阳系的演化,太阳将霜线进一步向外推。 那是因为最初,太阳的能量不如现在。 太阳星云也更加不透明。

太阳是由具有代表性的材料样本组成的 太阳星云 因为它是第一个形成的身体。 但行星不是。 它们相对于霜线的位置以及霜线内外的物质类型决定了它们的形成。 内行星水星、金星、地球和火星主要是岩石(主要由较重的元素组成,如铁、镁和硅),而在霜线以外的外行星主要由较轻的元素组成,主要是氢、氦、碳、氮和氧。

随着地球的吸积,碳质球粒陨石在地球的形成中发挥了作用。 天文学家认为碳质球粒陨石(CC)来自主要小行星带的外围区域。 CC根据其组成有不同的家族,每个家族都有相同的父体。 单个CCs是小行星带中物体之间的碰撞产生的母体碎片。

但一项新的研究表明,可能还有更多的事情发生。 它背后的研究人员说,一些碳质球粒陨石来自小行星,这些小行星形成于太阳系外更远的地方,位于主要小行星带之外,并且远远超出了霜线。

该研究是“外主带小行星与碳质球粒陨石母体的远距离形成与分化。” 东京工业大学地球生命科学研究所 (ELSI) 的研究人员领导了这项研究,助理教授 Hiroyuki Kurokawa 是第一作者。 该研究发表在《AGU Advances》杂志上。

艺术家对火星和木星之间带小行星碰撞的构想。 图片来源:NASA/JPL-Caltech

该研究的重点是火星和木星之间小行星带中小行星的组成。 对小行星带外部的观测揭示了反射特征,表明它们表面上有水冰和/或铵粘土(氨化层状硅酸盐)。 这些材料仅在较低温度下稳定,并且在其当前位置不易形成。 一些证据表明,这些小行星是CCs的母体。 但令人费解的是,在地球上发现的陨石普遍缺乏相同的特征。

该研究的该图显示了 3.1 µm 的吸收深度(横轴),表明存在氨化层状硅酸盐。 黑色圆圈是红外天文卫星AKARI观测到的小行星。 图片来源:黑川等人。  2022 AGU 进展
该研究的该图显示了几个小行星沿水平轴的 3.1 µm 吸收深度。 吸收深度表明氨化层状硅酸盐的存在。 黑色圆圈是红外天文卫星AKARI观测到的小行星。 图片来源:黑川等人。 2022 AGU 进展

这种差异是小行星带令人费解的特征之一。

新的研究提出了解决这个难题的方法。 一些小行星可能是在太阳系更远的地方形成的,然后通过混沌的混合过程被运送到太阳系内部。 “我们的研究结果表明,在 NH3 和 CO2 雪线(目前 > 10 au)之外形成了多个大型主带小行星,并且可以运输到它们当前的位置,”该研究说。

这些小行星足够大 差异化,这意味着它们的核心和地幔具有不同的成分。 地幔富含水,地核更密集。 “在高水岩比 (>4) 和低温 (<70°C) 条件下,在含有 NH3 和 CO2 的分化体的富含水的地幔中形成氨化层状硅酸盐,”该研究解释说。

CCs 可以来自这些小行星致密的岩石核心。 由于这些核心更重且更凝固,它们更有可能作为陨石被采样。 研究人员写道:“CCs 可能来自以岩石为主的岩心,这些岩心可能会通过破坏和运输过程优先作为陨石采样。”

该研究的这张图片显示了主带中大型 C 复合小行星的形成和演化及其与碳质球粒陨石的关系的一种情景。 第 1 阶段:吸积。 第二阶段:分化和改变。 第 3 阶段:冷冻(长度取决于大小)。 第 4 阶段:灾难性中断。 图片来源:黑川等人。  2022 AGU 进展
该研究的这张图片显示了主带中大型 C 复合小行星的形成和演化及其与碳质球粒陨石的关系的一种情景。 第 1 阶段:吸积。 第二阶段:分化和改变。 第 3 阶段:冷冻(长度取决于大小)。 第 4 阶段:灾难性中断。 图片来源:黑川等人。 2022 AGU 进展

小行星像行星一样通过吸积形成。 这在上图中的 1 中表示。 其中一些形成于霜线之外,除了水冰外,它们还积聚了 NH3 和 CO2 冰。 大的小行星然后分化为地幔和核心,如图2所示。图中的第3部分显示了冷冻后的分化小行星。 水合风化层地幔缺乏地球上 CC 显示的反射率特征。 第 4 部分展示了碰撞怎样破坏母小行星。 来自水合核心的碎裂陨石与地球上的 CC 具有相同的特征。

如果这项研究是准确的,它指出了太阳系形成的一个怪癖。 天文学家认为木星迁移到距离太阳 1.5 天文单位以内,然后又向外迁移到现在的位置。 土星也经历了一次迁移。 这些运动被称为 大粘性假说.

太阳系最大的两颗行星的迁移影响了小行星带。 小行星被分散了,其中许多最终处于它们没有形成的位置。在这些散射事件中,发生了碰撞,产生了 CC。 形成地球的一些CC来自最初来自霜线以外的小行星之间的这些碰撞。

本研究基于观察和建模。 许多观察来自 明里 由日本宇宙航空研究开发机构 JAXA 领导的卫星。 AKARI 是一颗红外天文卫星,可在多个红外波段进行全天调查。 AKARI 制作了一份包含 5,000 多颗红外线小行星的目录。

AKARI 红外卫星的艺术家插图。 图片来源:JAXA
AKARI 红外卫星的艺术家插图。 图片来源:JAXA

“基于这些结果,我们提出了几个(如果不是全部)C-复合小行星和 CC 母体在 NH3 和 CO2 雪线之外形成并分化,”作者在他们的结论中写道。 他们解释说:“现代行星形成理论自然可以预期 C 复合小行星的遥远起源,该理论涉及太阳系规模的鹅卵石和小行星迁移。”

幸运的是,除了观察和建模之外,科学家还有更多工作要做。 很快他们就会有小行星的碎片来研究。

日本隼鸟 2 号小行星采样任务从小行星龙宫采集样本。 该航天器于 2020 年 12 月返回了小行星样本。美国宇航局的 OSIRIS-REx 小行星采样任务从近地小行星 Bennu 收集了样本。 这些样本应在 2023 年 9 月之前返回地球。

地球的组成部分可能来自太阳系更远的地方 1
NASA 的 OSIRIS-REx 宇宙飞船的艺术概念,因为它准备好接触小行星 Bennu 的表面。 学分:美国宇航局/戈达德/亚利桑那大学

科学家们将能够根据建模和观测结果,将他们对这些小行星的预测与样本进行比较。 这些小行星的遥远起源告诉我们隼鸟 2 号的样本应该含有氨化盐和矿物质。 OSIRIS-REx 样本是对这些预测的另一个测试。

天文学的问题之一是我们的太阳系是否代表其他太阳系。 所有系统的形成过程都相似吗? 有多相似? 有何不同?

“我们的太阳系的形成是否是一个典型的结果仍有待确定,但大量的测量表明,我们可能很快就能将我们的宇宙历史置于背景中,”主要作者 Hiroyuki Kurokawa 说。

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