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科学家们在木星云层覆盖的腹部发现了被吞噬的幼行星的残骸

科学家们研究了构成木星核心和低层大气的重元素,以了解太阳系中最大的行星是如何形成的。
科学家们研究了构成木星核心和低层大气的重元素,以了解太阳系中最大的行星是如何形成的。 (图片来源:NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS)

科学家们发现,木星的内部充满了幼年行星的残骸,这些行星在木星膨胀成为我们今天看到的庞然大物的过程中被吞噬了。这一发现是第一次清晰地观察到这颗行星多云的外层大气下的化学成分。

尽管它是太阳系中最大的行星,木星几乎没有透露其内部运作情况。望远镜已经拍摄了数千张旋涡云在这颗气体巨星的上层大气中,但这些梵高式的风暴也充当了一个障碍,阻止我们看到下面的东西。

“木星是地球上最早形成的行星之一太阳系荷兰莱顿大学的天体物理学家、首席研究员亚米拉·米格尔在接受《生活科学》杂志采访时表示,在太阳系大约45亿年前形成后的最初几百万年里。beplay苹果网页然而,我们几乎不知道它是如何形成的,她补充道。

相关:“小木星”是在500光年外一颗恒星周围形成的过程中发现的

在这项新的研究中,研究人员终于能够通过美国宇航局朱诺号太空探测器收集的引力数据来窥探木星模糊的云层。这些数据使研究小组能够绘制出这颗巨大行星核心的岩石物质,揭示了惊人的重元素丰度。化学成分表明,木星吞食了婴儿行星或星子,以促进其膨胀。

天然气巨人的成长

今天的木星可能主要是一个旋转的气体球,但它的生命始于吸积岩石物质——就像太阳系中的其他行星一样。因为这个星球重力越来越多的岩石被吸进,岩石核心变得如此致密,以至于它开始从遥远的地方吸引大量的气体——主要是太阳喷发时留下的氢和氦太阳形成了巨大的充满气体的大气层。

关于木星如何收集其最初的岩石物质,有两种相互竞争的理论。有一种理论认为,木星积累了数十亿个较小的太空岩石,天文学家称之为鹅卵石(尽管这些岩石的大小可能更接近巨石,而不是真正的鹅卵石)。

新的研究结果支持了相反的理论,即木星的核心是由许多星子的吸收形成的——跨越数英里的大型太空岩石,如果不受干扰,它们可能会成为较小的岩石行星所喜欢的种子地球或者火星会发展。

然而,到目前为止,还不能肯定地说这些理论中哪一个是正确的。米格尔说:“因为我们不能直接观察到木星是如何形成的,所以我们必须把我们今天拥有的信息拼凑在一起。”“这不是一项容易的任务。”

这张电脑插图显示了美国宇航局的朱诺飞船在这颗气体巨星的大红斑上空。 (图片来源:MARK GARLICK/科学图片库/Getty Images)
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探索地球

为了解决这个争论,研究人员需要建立木星内部的图像。米格尔说:“在地球上,我们用地震仪来研究地球内部的地震。”但是木星没有表面可以放置这样的设备,而且木星的核心不太可能有太多的构造活动,她补充说。

相反,研究人员通过结合主要由朱诺号收集的数据,以及其前身伽利略号的一些数据,建立了木星内部的计算机模型。探测器测量了行星轨道上不同位置的引力场。数据显示,被木星吸积的岩石物质具有高浓度的重元素,这些重元素形成致密的固体,因此比气态大气具有更强的引力效应。这些数据使研究小组能够绘制出行星引力的微小变化,这有助于他们看到岩石物质在行星内的位置。

米格尔说:“朱诺号提供了非常精确的重力数据,帮助我们限制了木星内部物质的分布。”“这是非常独特的数据,我们只能通过绕地球飞行的航天器获得。”

研究人员的模型显示,木星内部有相当于11到30个地球质量的重元素(占木星质量的3%到9%),这比预期的要多得多。

卵石vs星子

米格尔说,新的模型指出了木星的星子吞噬起源,因为卵石吸积理论无法解释如此高浓度的重元素。如果木星最初是由鹅卵石形成的,那么一旦行星足够大,最终开始的气体吸积过程将立即结束岩石吸积阶段。米格尔解释说,这是因为不断增长的气体层会形成一个压力屏障,阻止额外的鹅卵石被拉进行星内部。这种减少的岩石吸积阶段可能会使木星的重金属丰度或金属丰度大大降低,比研究人员计算的要低。

然而,即使在气体吸积阶段开始之后,星子也可能已经抓住了木星的核心;这是因为岩石受到的引力比气体施加的压力要大。研究人员说,小行星理论提出的岩石物质和气体同时吸积是木星内部重元素含量高的唯一解释。

这项研究还揭示了另一个有趣的发现:木星的内部不能很好地与上层大气混合,这与科学家之前的预期相悖。木星内部的新模型显示,这颗行星吸收的重元素大部分保持在其核心和低层大气附近。研究人员曾假设对流混合了木星的大气,因此靠近行星核心的较热的气体会上升到外层大气,然后冷却并回落;如果是这样的话,重元素就会更均匀地混合在大气中。

然而,米格尔说,木星的某些区域可能有一个小的对流效应,需要更多的研究来确定这颗气体巨星的大气内部到底发生了什么。

研究人员的发现也可能改变太阳系中其他行星的起源故事。“木星是太阳系形成过程中最具影响力的行星,”米格尔说。她补充说,它的引力帮助塑造了它的宇宙邻居的大小和轨道,所以决定它是如何形成的对其他行星有重要的连锁效应。这些发现还表明,太阳系中其他气体巨星可能是由小行星起源的:土星天王星而且海王星

其他恒星系统中的其他气体世界也可能是通过吞噬星子而不是鹅卵石形成的,这意味着它们的金属丰度也可能比它们的外观所表明的要高。因此,重要的是,当我们发现这些新世界时,我们正在使用NASA的搜索引擎詹姆斯韦伯望远镜研究人员说,在美国,我们不会根据它们多云的覆盖来判断它们。

这项研究于6月8日在线发表在该杂志上天文学与天体物理学(在新标签页打开)

最初发表在《生活科学》上。beplay苹果网页

哈里是《生活科学》杂志驻英国特约撰稿人。beplay苹果网页他在埃克塞特大学(Penryn校区)学习海洋生物学,毕业后创办了自己的博客网站“海洋疯狂”,他继续与其他海洋爱好者一起运营。他还对进化论、气候变化、机器人、太空探索、环境保护和任何化石感兴趣。不工作的时候,你会发现他在看科幻电影,玩旧的精灵宝可梦游戏,或者跑步(可能比他喜欢的速度慢)。