木星早期形成诱导原行星盘环隙结构并导致球粒陨石晚期增生

《SCIENCE ADVANCES》：The late formation of chondrites as a consequence of Jupiter-induced gaps and rings

本研究针对太阳系早期星子形成存在两个明显阶段（早期铁陨石母体与晚期NC球粒陨石母体）的时间差难题，通过数值模拟揭示了木星（Jupiter）早期快速生长会重塑其原生原行星盘，产生压力突增（pressure bumps）和尘埃陷阱，从而促使第二世代星子在CAI形成后2-3 Myr时形成，并抑制了类地行星胚胎的向内迁移，为解释内太阳系结构提供了统一动力学框架。

　　

在浩瀚宇宙中，我们所在的太阳系是如何从一团混沌的气体和尘埃云中诞生的？这不仅是公众感兴趣的话题，更是行星科学领域持续探索的核心问题。近年来，对陨石（来自小行星或早期行星体的碎片）的精密同位素分析揭示了一个令人困惑的现象：太阳系最早的建筑基石——星子（planetesimals），并非在同一时间形成。一些星子，特别是那些成为非碳质（NC）岩浆铁陨石母体的星子，在太阳系历史开始的头50万到100万年内就快速吸积成形。然而，另一大类重要的星子，即普通球粒陨石和顽火辉石球粒陨石（统称为NC球粒陨石）的母体，其吸积时间却要晚得多，大约在钙铝富集包体（CAIs，通常被视为太阳系形成的起点）形成之后的200万到300万年。这种明显的形成时间差成为了太阳系形成模型中的一个未解之谜。

更令人费解的是，这种晚期星子增生似乎与太阳系的一个关键特征——同位素二分性（isotopic dichotomy）——存在潜在矛盾。该二分性将陨石清晰地分为NC和碳质（CC）两大类，通常被归因于木星早期形成或一个压力突增在内外盘之间建立了一个持久的分离屏障。这个屏障阻止了外盘物质（如鹅卵石pebbles）向内漂移和混合，从而保留了各自的同位素独特性。但如果这个屏障如此高效，它同样会限制小颗粒固体物质向内盘的输送。这就引出了一个关键问题：在木星轨道内侧的固体物质被认为会通过径向漂移迅速损失或已被早期星子吸积殆尽的情况下，如何在CAI之后200万到300万年的内盘环境中，还有足够的NC物质留存并重新聚集，以形成新的球粒陨石母体？维持晚期星子形成所需的尘埃库，需要一种长寿命或可补充的机制，而这在标准的盘模型中难以实现。

为了解开这个谜团，一项发表在《科学进展》（SCIENCE ADVANCES）上的研究提出了一个全新的综合性模型。该研究通过先进的数值模拟，将行星-盘引力相互作用、尘埃演化、星子形成和行星吸积等多个关键过程整合到一个统一的框架中，揭示了木星的早期形成如何通过重塑原行星盘的结构，不仅解释了类地行星的定位，也自然地解释了NC球粒陨石母体的晚期增生年龄。

为了回答上述问题，研究人员综合运用了多种关键技术方法。他们首先使用FARGO3D代码进行高分辨率流体力学模拟，研究木星质量行星对其原生气体盘结构的影响，重点关注低黏度盘（α ≈ 10^-5 – 10^-4）中压力突增和环隙的形成以及内盘气体的加速耗散。其次，他们开发了一个半解析模型与N体模拟相结合的方法，模拟了在内盘一个狭窄星子环中类地行星胚胎的生长和气体驱动的迁移过程，并考虑了碰撞产生的尘埃。最后，他们利用修改版的Two-Poppy代码求解一维平流-扩散方程，模拟了尘埃的演化、 coagulation（凝聚）、fragmentation（破碎）以及在压力突增处的捕获，并设定了触发星子形成的条件（当尘埃与气体的体积密度比≥1且斯托克斯数St ≥ 10^-3时），以研究第二世代星子的形成。

RESULTS（结果）

木星诱导内盘产生环隙结构和压力突增

研究人员通过流体力学模拟发现，当一颗木星质量的行星在5.4天文单位（au）处形成后，它会在盘中打开一个间隙（gap）。更重要的是，在相对低黏度的盘中，木星激发的螺旋密度波会在其轨道内侧的盘区域（0.3至5 au之间）产生多个压力突增（即气体密度归一化后的峰值），这些结构在盘剖面图上表现为环状。这些压力突增可以作为有效的尘埃陷阱。同时，模拟显示木星的引力作用显著加速了内盘（r < 5.4 au）气体的耗散，其耗尽时间尺度（约0.3 Myr）远快于没有木星存在的盘（约2 Myr）。这种“木星诱导的气体吸积”或“激波驱动的吸积”过程，以及间隙对内外盘气体的阻隔，共同导致了内盘的快速清空。

演化中的盘结构抑制类地胚胎向内迁移

在模拟类地行星胚胎从星子生长的过程中，研究人员比较了不考虑木星影响（标准幂律盘）和考虑木星影响（引入压力突增和快速气体耗散）的情况。结果表明，在标准盘模型中，行星胚胎在生长到一定质量后会经历显著的气体驱动向内迁移，许多胚胎最终会迁移到水星轨道以内的最内盘区域，这与现今内太阳系的架构不符。然而，在木星早期形成（例如在CAI后1-1.5 Myr开始形成）的场景下，木星诱导产生的压力突增改变了盘中的扭矩分布，形成了向外迁移的区域（行星陷阱）。结合内盘气体的快速耗散，这有效地抑制或限制了行星胚胎的向内迁移，使其最终停留在约0.7-1 au的区域内，与类地行星的当前位置相符。模拟还发现了一个在0.4-0.5 au附近的显著行星陷阱，这与水星的轨道位置有启发性的一致。

压力突增处尘埃捕获导致第二世代星子形成

研究的关键一环是解释晚期星子（NC球粒陨石母体）的形成。模型假设在类地行星吸积过程中，胚胎和星子之间的碰撞会产生大量尘埃碎片（“碰撞尘埃”）。模拟追踪了这些尘埃的演化。在木星形成之前，产生的尘埃大部分会因径向漂移而落入太阳。一旦木星开始生长并在内盘形成压力突增，这些结构便开始有效地捕获向内漂移的尘埃。尘埃在压力突增处不断积累，导致局部尘埃密度显著升高。当尘埃的体密度超过气体体密度，并且尘埃颗粒的斯托克斯数足够大时，模型触发引力不稳定性或类似机制，从而在压力突增处形成新的星子。模拟结果显示，这一过程主要发生在CAI之后约2.3 Myr到3 Myr之间，形成的星子集中在几个狭窄的环带内（例如约0.5 au, 0.7 au, 2.0 au），其形成时间与NC球粒陨石母体的推定增生年龄完美匹配。最终形成的第二世代星子总质量对木星的形成时间和盘耗散速率敏感，在有利参数下可达~0.2 M_⊕（地球质量）。

DISCUSSION（讨论）与结论

这项研究提出了一个关于早期太阳系演化的连贯框架，将木星的早期形成置于核心地位。该模型表明，木星在太阳系历史最初约150万至200万年内快速生长，是塑造内太阳系的关键事件。木星的引力影响不仅造成了内外太阳系的同位素分离，还通过其诱导的盘结构变化（压力突增、环隙）和内盘气体加速耗散，直接导致了两个重要后果：一是抑制了类地行星胚胎的过度向内迁移，使其停留在当前轨道附近；二是在内盘创造了有利于尘埃积累和晚期星子形成的环境，从而解释了NC球粒陨石母体在CAI后2-3 Myr的增生年龄。

该研究的优势在于其动力学机制的鲁棒性，它不依赖于特定且多变的局域盘条件（如黏度转变或磁驱动盘风），而是由木星这一巨大天体的基本引力作用所驱动。模型预测在低黏度盘中形成多个星子环，这可能为解释不同类型NC球粒陨石（如普通球粒陨石和顽火辉石球粒陨石）在同位素组成和氧化状态上的差异提供了线索，因为它们可能形成于不同的压力突增环带。

当然，模型也存在一些简化，例如未考虑木星的气体驱动迁移、土星的形成及其影响，也未直接模拟 chondrules（球粒）的形成过程。关于CC物质如何以及何时被植入小行星带，模型认为这可能是一个更晚期的过程，发生在内盘气体几乎完全消散后，由土星或冰巨星的生长和迁移所驱动。

总之，这项研究成功地将太阳系形成中的多个看似独立的谜题——类地行星的位置、星子增生的时间差、同位素二分性的维持——联系了起来，并提供了一个统一的、动力学驱动的解释。它强调了巨行星在其系统演化早期所扮演的“建筑师”角色，不仅决定了巨行星自身的命运，也深远地影响了内侧类地行星的形成和最终架构。这一框架与观测到的II类原行星盘和过渡盘中的环隙结构相吻合，增强了其普适性，为理解太阳系乃至系外行星系统的形成提供了宝贵见解。