谷神星可能在太阳系更远的地方形成并向内迁移

当西西里天文学家朱塞佩·皮亚齐在 1801 年发现谷神星时,他认为这是一颗行星。 天文学家当时并不知道小行星。 现在我们知道它们数量巨大,主要位于火星和木星之间的主要小行星带。

谷神星直径约 1,000 公里,占主要小行星带质量的三分之一。 它使腰带上的大多数其他物体相形见绌。 现在我们知道它是一颗行星——尽管它是一颗矮行星——尽管它的邻居大多是小行星。

但是小行星带中的矮行星在做什么呢?

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一篇新的研究文章提供了答案:谷神星不是在小行星带中形成的。 它在太阳系更远的地方形成,然后迁移到现在的位置。 这不是第一个得出这个结论的研究,但它增加了这个想法的分量。

文章是“矮行星谷神星的动力学起源,”并发表在《伊卡洛斯》杂志上。 主要作者是巴西圣保罗州立大学的物理学教授 Rafael Ribeiro de Sousa。 其他合著者来自同一所大学以及法国和美国。

(注:谷神星被称为矮行星、原行星,有时也被称为小行星。挂在上面没有意义。它在 2006 年被正式归类为矮行星。)

谷神星是三个之一 矮行星 或小行星带中的原行星。 另外两个是灶神星和帕拉斯。 第四个大天体 Hygiea 的直径为 434 公里,也可能是一颗矮行星。 这四个最大的天体构成了小行星带质量的一半。

这些是小行星带中最大的四个物体。 谷神星是唯一一个质量足以让自重力保持球体形状的行星。 图片来源:ESO/M。  Kornmesser/Vernazza 等人/MISTRAL 算法 (ONERA/CNRS)
这些是小行星带中最大的四个物体。 谷神星是唯一一个质量足以让自重力保持球体形状的行星。 图片来源:ESO/M。 Kornmesser/Vernazza 等人/MISTRAL 算法 (ONERA/CNRS)

我们对谷神星的了解大部分来自美国宇航局 黎明任务. 黎明号是第一个访问两个外星物体的航天器,也是第一个绕矮行星运行的航天器。 在航天器于 2018 年 10 月燃料耗尽之前,黎明号造访了灶神星和谷神星。现在它已被遗弃在谷神星周围的稳定轨道上。

美国宇航局黎明飞船接近谷神星的艺术家插图。 图片:NASA/JPL-Caltech。
美国宇航局黎明号宇宙飞船的艺术家插图,其离子推进系统接近谷神星。 图片:NASA/JPL-Caltech。

小行星带中最大天体的术语和描述可能令人困惑,但谷神星与其他三个天体截然不同。 谷神星是腰带中唯一一个足够大以保持球体形状的天体。 谷神星也有一个短暂的大气层,称为外逸层。 阳光将水冰和氨冰升华成蒸汽,但这颗矮行星的引力太弱,无法保持。 这是谷神星起源的重要线索,因为小行星通常不排放蒸汽。

氨的存在也是一个线索。

像氨这样的化合物会在太阳系的霜线之外凝结。 由于谷神星含有氨,它很可能在霜线之外形成。 图片来源:NASA / JPL-Caltech,https://supernovacondensate.net/ 的 InvaderXan。
像氨这样的化合物会在太阳系的霜线之外凝结。 由于谷神星含有氨,它很可能在霜线之外形成。 图片来源:NASA / JPL-Caltech,https://supernovacondensate.net/ 的 InvaderXan。

彗星含有挥发性冰,如氨,当太阳加热它们时会升华。 这就是彗星尾巴和昏迷的原因。 但是彗星来自太阳系的寒冷外围区域,在那里它们会吸积挥发性冰。 由于谷神星像彗星一样冻结了挥发物,这表明它也起源于太阳系较冷的地区。

“氨冰的存在是强有力的观测证据,表明谷神星可能是在霜线以外的太阳系最冷区域形成的,其温度低到足以导致水和一氧化碳等挥发性物质凝结和融合 [CO], 二氧化碳 [CO2] 和氨 [NH3],”里贝罗·德·索萨(Ribeiro de Sousa)在新闻稿中说。

较冷的外太阳系和较暖的内太阳系之间的边界称为霜线。 对于在不同温度下冻结的不同挥发物,有特定的霜线,但天体物理学家为了简单起见,只用一条霜线。 霜线是 close 现在到木星的轨道,但它并不总是在那里。 它随着太阳系的演化而移动。 太阳星云在早期是不透明的,太阳的温暖也没有达到那么远。 那时太阳的能量也较低,因此霜线更接近太阳。

艺术家描绘的年轻、类似太阳的恒星被气体和尘埃盘环绕。 图片来源:NASA/JPL-Caltech/T。 派尔
艺术家描绘的年轻、类似太阳的恒星被气体和尘埃盘环绕。 图片来源:NASA/JPL-Caltech/T。 派尔

巨行星的生长也影响了霜线的位置。 “这些行星的生长产生的强烈引力扰动可能改变了原行星盘的密度、压力和温度,使霜线发生位移。 原行星气盘中的这种扰动可能导致膨胀的行星在获得气体和固体时迁移到更靠近太阳的轨道,”共同作者 Ernesto Vieira Neto 说。

“在我们的文章中,我们提出了一个场景来解释为什么谷神星与邻近的小行星如此不同。 在这种情况下,谷神星开始在远离土星的轨道上形成,那里氨气丰富。 在巨行星的成长阶段,它作为来自太阳系外的移民被拉入小行星带,并存活了 45 亿年,直到现在,”里贝罗·德·索萨 (Ribeiro de Sousa) 说。

该团队运行了大量的计算机模拟来测试这个想法。 他们模拟了太阳原行星盘内巨行星的形成,包括木星和土星。 它们还包括一些作为天王星和海王星前体的胚胎行星。 然后他们添加了一组组成和大小与谷神星相似的物体。 他们的加入是基于谷神星是太阳系早期行星之一的假设,即正在成为成熟行星的物体。

“我们的主要发现是,过去在土星轨道之外至少有 3,600 个类似谷神星的物体。 有了这么多天体,我们的模型表明其中一个可能已经在小行星带中被运输和捕获,其轨道与谷神星目前的轨道非常相似。”

Rafael Ribeiro de Sousa,主要作者,圣保罗州立大学。

“我们的模拟表明,巨行星形成阶段是高度动荡的,天王星和海王星的前体发生了巨大的碰撞,行星被抛出太阳系,甚至有质量超过地球三倍的行星侵入内部区域。大量的。 此外,强烈的引力扰动使类似谷神星的天体四处散落。 有些人很可能已经到达小行星带地区并获得了能够在其他事件中幸存下来的稳定轨道,”里贝罗·德索萨说。

研究中的这张图显示了将像谷神星这样的物体植入小行星带所需的四个步骤。 图片来源:de Sousa 等人。  2022 年。
研究中的这张图显示了将像谷神星这样的物体植入小行星带所需的四个步骤。 图片来源:de Sousa 等人。 2022 年。

研究人员说,一个类似谷神星的物体被植入小行星带需要四个步骤。 第一个是外星子盘中星子位置的快速径向混合阶段。 第二个是谷神星候选者在与巨行星的平均运动共振中被捕获。 第三步是混沌阶段,类似谷神星的天体可能会遇到其他“入侵者”,这些“入侵者”可以增加或减少其偏心率,并将天体分散到小行星带内部更稳定的区域。 混沌阶段还包括气体阻力和气体动力摩擦,可以改变谷神星候选者的偏心率和倾斜度,并将其植入当前位置。 第四阶段是气体从原行星盘中移除,入侵者被移除,谷神星从平均运动共振中移除,植入变得稳定。

该团队的模拟还表明,谷神星只是太阳系早期存在的众多类似天体之一。 “我们的主要发现是,在过去,土星轨道之外至少有 3,600 个类似谷神星的物体。 有了这么多天体,我们的模型表明其中一个可能已经在小行星带中被运输和捕获,其轨道与谷神星当前的轨道非常相似,”里贝罗·德索萨说。

这张谷神星的图像近似于这颗矮行星的颜色在肉眼中的呈现方式。 图片来源:NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA
这张谷神星的图像近似于这颗矮行星的颜色在肉眼中的呈现方式。 图片来源:NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

这些并不是第一个提出像 3,600 个类似谷神星物体的数字的研究人员。 其他人研究了陨石坑和土星以外和柯伊伯带中的物体数量,以得出他们的结果。 这项研究证实了先前的结果,并支持我们对太阳系怎样形成和演化的理解。 “我们的情景使我们能够确认数字并解释谷神星的轨道和化学特性。 该研究重申了太阳系形成的最新模型的准确性,”他说。

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