天文太空

微行星金屬心-太陽系形成新傳

天文學家從隕石內發現古老磁場的跡象,重新改寫年輕太陽系的樣貌,其中滿是高能量的碰撞、破壞與重建,行星其實是在狂暴環境中快速誕生。

撰文/埃爾金斯-譚頓(Linda T. Elkins-Tanton)
翻譯/邱淑慧

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微行星金屬心-太陽系形成新傳

天文學家從隕石內發現古老磁場的跡象,重新改寫年輕太陽系的樣貌,其中滿是高能量的碰撞、破壞與重建,行星其實是在狂暴環境中快速誕生。

撰文/埃爾金斯-譚頓(Linda T. Elkins-Tanton)
翻譯/邱淑慧


多年前,我和學生在美國麻省理工學院(MIT)教室裡討論行星形成方式,結束後正要走出教室,研究太空岩石磁性的同事韋斯(Ben Weiss)攔住了我。他神情非常興奮,拉著我走出大樓到他的辦公室,向我展示阿顏德(Allende)隕石的新資料,這些資料可能幾乎顛覆行星地質學家對於太陽系所有的想法。


1969年,阿顏德隕石如同巨大火球墜落在墨西哥,其中含有太陽系最古老的某些物質。2009年秋天,韋斯的研究團隊提出,阿顏德隕石內有古老磁場的跡象。這項新發現令人訝異,因為天文學家認為,這樣的磁場必定來自行星內部極高溫液態金屬流動而產生的磁發電機(magnetic dynamo),例如地球磁場就來自地核內液態鐵的旋轉。但科學家認為,阿顏德隕石是微行星(早期的新生行星)碎片,溫度未曾達到足以熔融內部金屬。因此,韋斯想知道,這塊太陽系的古老碎片如何加熱,並造成磁發電機效應?


當時我的學生才剛連番提出行星演化問題,讓我重新思考教科書裡的知識,我正好有些新想法的雛形,可能有助於回答韋斯的問題。於是我走向白板,開始畫了起來。


科學家一直認為,微行星含有半衰期短、不穩定且會釋出輻射的鋁原子同位素。當鋁26衰變時,釋出的能量可能加熱微行星。不難想像,在阿顏德隕石的母天體內部,鋁26釋出的熱會使天體由內向外熔融物質。該天體內部的金屬因而與其他含矽礦物分離,形成液態核心,並隨著天體轉動而開始旋轉,造成磁發電機效應;同時,微行星外層則因接觸太空低溫環境而冰凍,太陽系原始行星盤中的冰冷岩石和塵埃便持續附著在微行星外層上。


微行星是太陽系形成早期的重要成員,然而,它們攜帶巨大能量的這個想法,與我在高中時學過的情節不同。教科書裡通常描繪太陽系的形成過程是平靜且穩定。自45億6700萬年前太陽系誕生,形成過程就如同小步舞曲般優雅而井然有序:分子雲的氣體與塵埃不斷旋轉,形成繞行一顆成長中恆星的原始行星盤,接著氣體與塵埃漸漸聚集,成長為直徑約數十到數百公里的小礫石。這些微行星彼此碰撞結合成更大的團塊,直到大約長成火星大小的行星胚胎後,這間行星育嬰房的溫度才開始上升。一旦成長中的行星胚胎具有足夠的質量,便開始清除軌道周遭的碎片,然後藉由碰撞形成行星。最後,一如我們所熟知的,這些行星內部逐漸分離成翻滾的液態金屬核心以及蘊藏熾熱、激烈火山活動的含矽地函,這時仍難以有生命存在。


這是傳統的觀點。那時我和韋斯開始思索,從阿顏德隕石以及其他資料可以看出,早期太陽系其實變動快速而且狂暴。那個從塵埃、礫石、微行星、行星胚胎再到行星的一連串溫和過程,現在正遭受挑戰。原本認為微行星形成需要數億年,其實只需要大約300萬年。如果把太陽系的年齡比擬為人類的一天,微行星的形成大約發生在最初一分鐘。在鋁放射性同位素加熱和初期大量碰撞之中,這些小天體其實帶有更多能量,意味不需要成長到行星大小,微行星內部就可以分層。原本認為只會發生在行星裡的熔融、脫除氣體,到產生磁發電機效應和火山活動,其實在微小的微行星裡就可能發生。


而且,太陽系的變化並不僅僅是由小到大,大天體通常會再分裂成小天體。即使這些高能量小天體在早期就靠碰撞成長到行星大小,有時也會遭到許多其他微行星掃射、急速撞擊而分裂或摧毀;碎片可能撞擊其他天體,使其增大到行星大小。可能不到1000萬年,行星就經歷了成形、碎裂又增長的過程。


行星成長計時器


我和其他行星科學家借助新工具,不只可以估計隕石年齡,還有其他類似早期太陽系的行星塵埃雲,得以拼湊出年輕太陽系的活躍樣貌,如同大型馬戲團一樣熱鬧。


過去10~15年,科學家研發出高靈敏度儀器,可以測量太空岩石的元素含量,甚至可測出含量僅佔百萬分之一的元素。我們很清楚放射性元素的衰變時間(半衰期),因此,測量這些碎片的元素含量就可定出行星與微行星形成與變化的時間表。全球的研究團隊都開始測量從各地蒐集來的隕石,包括曾任職於蘇黎士瑞士聯邦理工大學的哈里代(Alex Halliday,現任職於美國哈佛大學)、德國蒙斯特大學的克萊恩(Thorsten Kleine)、哈佛大學的賈可布森(Stein Jacobsen)、美國卡內基科學研究院的霍倫(Mary Horan)和卡爾森(Rick Carlson),以及馬里蘭大學的華克(Richard Walker)。這些工作幫助我們釐清:微行星在塵埃盤開始冷卻後數百萬年內形成,許多類地行星可能在最初1000萬年內形成;地球不僅可能在數千萬年內就形成,而且內部已分異為核心和地函。其他研究方法也得到類似結果。


由於望遠鏡性能不斷提升,我們能觀察到銀河系其他年輕恆星的成長過程;有時甚至可以觀察到供養恆星與行星成長的氣體塵埃盤。研究人員藉由測量有行星繞行的恆星的年齡,再與周遭只有氣體塵埃盤的恆星加以比較,約在10年前發現,氣體塵埃盤的壽命平均只有300萬年。


因此,微行星平均形成時間只有300萬年。來不及附著到岩石上的塵埃和氣體便會墜向恆星或散逸到太空,再也無法構成行星。傳統理論認為吸積作用可能持續了數億年,相較之下,新的觀測與測量結果說明這段過程必定是快速進行!


關於定年的證據來自放射性元素,因為元素的半衰期就像時鐘一樣穩定,這些研究團隊都可透過新的儀器精確測量這些元素,研究每個時鐘各自走了多久。隕石通常含有這些放射性元素,因為隕石大多是小行星的碎片(有些來自月球、火星或其他未知天體),而小行星就是微行星的殘骸。


如地函一般的含矽礦物通常含有鉿(hafnium)放射性同位素,會衰變為鎢(tungsten),半衰期是900萬年,鎢容易與構成行星核心的金屬混合。我們可藉此獲知行星與微行星內部金屬核心與含矽地函分異的時間尺度:隨著核心逐漸生成,含矽地函內的鎢就會不斷減少,成為核心的一部份;地函內的鉿會持續衰變為鎢,如果核心停止成長,鎢就會留在地函內。科學家測量隕石內鉿和鎢的比率,其中鎢同位素的含量可以提供關於核心形成時間的線索。


多數鐵質隕石主要來自微行星的金屬核心,經由同位素測量後可知,於原行星盤的氣體與塵埃開始固化後的50萬年內才形成微行星。若把太陽系年齡比擬做人類的一天,那麼這段過程不到10秒。一旦鐵質隕石是微行星遭撞擊後的核心碎片,那麼微行星必定在這短暫的時間內形成並經歷熔融階段,而產生鐵質核心。


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