巨碰撞溅射物再吸积驱动类地行星大气侵蚀的新机制

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：Re-accretion of Giant Impact Ejecta Can Drive Significant Atmospheric Erosion on Terrestrial Planets

本研究针对巨碰撞后长期大气演化机制缺失的问题，通过数值模拟首次系统量化了溅射物再吸积过程对类地行星大气的侵蚀效应。研究发现，即使仅1%行星质量的固态溅射物再吸积，也可在30 Myr内完全剥离地球现大气层，揭示巨碰撞实际大气侵蚀效率较传统认知高数个量级。该模型为解读系外行星大气观测数据提供了关键动力学约束，对行星宜居性研究具有里程碑意义。

　　

在行星形成的最后阶段，火星大小的行星胚胎通过巨碰撞合并成长，这些碰撞事件不仅塑造了行星的轨道结构和内部组成，更对大气演化产生深远影响。传统数值模拟受计算资源限制，多聚焦于碰撞瞬间的物质抛射和大气损失，却忽略了长期动态演化过程。正如月球形成碰撞所揭示的，巨碰撞会产生大量溅射物，这些物质在引力作用下逐渐再吸积到母行星上，引发持续数百万年的次级撞击。这种“宇宙弹雨”对大气层的侵蚀效应究竟有多大？能否解释地球早期大气演化之谜？这成为剑桥大学Tuhin Ghosh团队在《皇家天文学会月报》发表的最新研究中着力解决的核心问题。

研究团队建立了包含碰撞级联和轨道动力学的综合模型，关键创新在于同时追踪非气化溅射物的尺寸分布演化与再吸积过程。通过引入Shuvalov(2009)的大气侵蚀标度律，首次量化了不同尺寸撞击体在^1.1v_esc（1.1倍逃逸速度）冲击下的侵蚀效率。模型特别考虑了碎片盘的轴向对称分布特征，其径向和垂直宽度由行星逃逸速度设定，并采用α=3.5的稳态碰撞级联尺寸分布。

3.1 月球形成碰撞的情景分析

通过参数化研究不同溅射比例(f_esc)的影响，发现当f_esc=0.01时，地球在4 Myr内再吸积0.0029 M_⊕碎片，足以完全剥离现大气层。即使保守估计f_esc=0.001，仍能侵蚀885倍现大气质量。最大碎片尺寸(D_max)在10-500 km范围内，大气完全损失时间尺度为3.5-19.5 Myr，表明模型对关键参数具备鲁棒性。

3.2 参数空间的普适性规律

拓展分析显示，再吸积总质量与轨道半径无关，仅弱依赖于行星质量（0.1-10 M_⊕行星可吸积0.003 M_{⊕>量级碎片）。对于初始大气质量≤5倍地球现大气的情形，距恒星2 au内的类地行星都会经历显著大气侵蚀。当大气分子量μ=2.35（太阳成分）时，侵蚀效率更高，但巨厚大气（>100倍现大气）会使有效侵蚀尺寸区间移至Dmax之外，反而降低损失率。}

4.1 速度分布的动力学影响

采用Jackson et al.(2014)基于SPH模拟的碎片速度高斯分布（σ_v?0.46v_esc），使碰撞寿命估计较传统模型延长7倍。高能碰撞虽会提升撞击速度，但同时增加气化比例，需通过后续模拟精确评估净效应。

4.3 大气补充与挥发分库存

在瞬时大气补充假设下，f_esc=0.01对应累计挥发分损失达4.7倍现大气质量。结合地化证据（如¹²⁹Xe缺失、He/Ne同位素分馏），说明再吸积过程能合理解释地球挥发元素库存的演化难题。对于月球形成前可能存在的原始水大气（30-100 bar），再吸积仅能在海洋凝结形成薄大气后生效，这对理解地球水循环历史提出新约束。

该研究颠覆了传统巨碰撞大气侵蚀模型，揭示再吸积过程可使侵蚀效率提升数个量级。模型预测距恒星2 au内、经历巨碰撞的类地行星普遍存在晚期大气剥离窗口，为解读Kepler系统的“豌豆荚”行星群大气多样性提供新机制。结合地化记录中稀有气体同位素特征，该研究建立了行星形成动力学与化学演化之间的定量桥梁，对系外行星宜居性评估标准修订具有深远影响。