原行星盘中稀土元素核合成异常与尘埃迁移的动力学机制解析

研究人员针对太阳系天体化学特征形成机制的关键问题，通过分析细粒钙铝包裹体（fg-CAIs）的稀土元素（REE）同位素异常，揭示了原行星盘内尘埃迁移与核合成物质混合的双阶段过程。研究发现CAIs前体经历FU Orionis爆发驱动的内外太阳系迁移，并与富集p过程组分的同位素库混合，为行星物质分布和早期太阳系动力学提供了新证据。

　　

太阳系天体的化学和同位素特征如何形成？这一直是行星科学领域的核心谜题。原行星盘阶段的物质迁移过程，尤其是尘埃颗粒携带的核合成异常信号，被认为是塑造行星组成的关键。然而，关于这些异常如何通过动力学过程保留并混合，学界长期存在争议。近期发表在《SCIENCE ADVANCES》的研究通过解析细粒钙铝包裹体（fine-grained calcium-aluminum–rich inclusions, fg-CAIs）的稀土元素（rare earth element, REE）同位素特征，为这一过程提供了全新见解。

芝加哥大学的研究团队选取了具有II型REE分馏模式的fg-CAIs样本，采用多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICPMS）技术，精确测量了Nd、Sm、Gd、Dy、Er和Yb的同位素组成。通过校正宇宙射线辐照（cosmic-ray irradiation, CRE）对¹⁴⁹Sm、¹⁵⁵Gd和¹⁵⁷Gd的影响，并结合钛（Ti）和锶（Sr）同位素数据，构建了核合成异常的三元混合模型。

RESULTS
Cosmic-ray irradiation on Sm and Gd isotopes
数据分析显示，fg-CAIs中¹⁵⁰Sm/¹⁴⁹Sm与¹⁵⁸Gd/¹⁵⁷Gd的斜率分别为-2.67和-0.73，偏离纯CRE效应预测值（-1.88和-0.63），表明存在r/s过程核合成异常的叠加。通过斜率分解模型，团队成功分离了核合成与宇宙成因贡献。

Confirming the presence of p-isotope anomaly in ε^144/152Sm
三元图分析揭示Sm同位素异常主要由p过程物质缺失和s过程物质过量驱动。ε^144/152Sm与ε^84/86Sr的强相关性（R²>0.8）证实了p过程组分在CAIs形成中的关键作用。

Correlations of anomalies of REE r/s-isotopes in CAIs
Nd、Sm和Yb同位素数据与低质量渐近巨星支（AGB）恒星s过程过量模型高度吻合，表明CAIs继承了恒星外流物质的核合成特征。

Correlations of anomalies of ⁵⁰Ti and p-process isotopes in CAIs
ε^50/47Ti与p过程同位素的双重相关性揭示了两个混合阶段：初始阶段为NC（非碳质球粒陨石）组分与s过程富集物质的混合，第二阶段则引入p过程变异组分。

DISCUSSION
研究提出fg-CAIs的形成涉及三阶段动力学过程：（1）前体在<1 AU区域经FU Orionis爆发加热；（2）通过星风迁移至外太阳系，在风-包络相互作用区（WEIZ）与富p过程尘埃混合；（3）大颗粒回落至盘中，被碳质球粒陨石（CC）吸积。该模型首次将观测到的同位素异常与具体的原行星盘物理过程直接关联，为理解太阳系物质分布和行星形成提供了动力学框架。

MATERIALS AND METHODS
关键技术包括：CAIs样本的HF/HNO₃消解、UTEVA和TODGA柱色谱分离REE、MC-ICPMS同位素分析，以及基于AGB恒星核合成数据的混合模型计算。样本来自Allende陨石的fg-CAIs，其II型REE模式为研究蒸发-冷凝过程提供了理想载体。

这项研究不仅揭示了核合成异常如何在原行星盘迁移中保存，还为恒星爆发事件对行星物质分布的调控机制提供了直接证据，对系外行星系统的化学演化研究具有重要启示。