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过滤掉所有星际尘埃之后,太阳系会是什么样的?

信息来源:u-g.cn  时间:2019-07-08  浏览次数:8

就像灰尘会聚积在家里的角落和书架上,它们也会在太阳系中堆积起来,不同的是,星际尘埃聚成的是好几个环状的圈圈,围绕着我们的太阳。这些尘埃环恰好与行星的运行轨道重合,因为在行星绕太阳运行的时候,会通过万有引力的作用拖拽着这些星际尘埃,最终形成环绕太阳的尘埃圆环。

在大约46亿年前,太阳系从一片混沌中开始诞生,小行星相互冲击、彗星东碰西撞,星际尘埃就是由当时残存的碎石和碎屑组成的。这些星际尘埃散布在整个太阳系中,但又主要聚集在地球和金星的运行轨道上,形成满是颗粒的圆环,从地球上用望远镜就能看得到。通过研究这些星际尘埃的组成、由来和运动,科学家探寻着行星的诞生和太阳系中一切可见物质的组成。

最近的两项研究发表了太阳系内部尘埃环的新发现。其中一项研究用到了NASA的数据,概述了围绕太阳的水星轨道上存在一个尘埃环的证据。另一项研究则来自NASA,确定了金星轨道上尘埃环的可能来源:一组与金星共轨运动的、从没探测到过的小行星。

“在太阳系里,我们并不能每天都发现新的东西。”马克?库彻纳(Marc Kuchner)说道,他是金星研究的作者之一,同时也是NASA位于马里兰格林贝尔特戈达德航天中心(Goddard Space Flight Center)的天体物理学家。“而这些星际尘埃就在我们的身边。”

过滤掉所有星际尘埃之后,太阳系会是什么样的?

在这张图中,有好几个环绕着太阳的尘埃环,由行星的万有引力拖拽形成,覆盖在相应的行星轨道上。最近,科学家在水星的公转轨道上发现了一个尘埃环;另外还有研究表明,金星轨道上的尘埃环来自一组从未被探测到过的共轨小行星。

版权:NASA’s Goddard Space Flight Center/Mary Pat Hrybyk-Keith

另一个围绕太阳的环

吉耶尔莫?斯滕堡(Guillermo Stenborg)和吕塞伊?霍华德(Russell Howard)两人是华盛顿特区美国海军科研实验室(Naval Research Laboratory)的太阳科学家,他们一开始并没有想到会找到一个尘埃环。“我们是偶然发现它的。”斯滕堡笑道。他们将这个新发现总结在了论文里,发表在《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal)上。

他们在研究中描述了水星轨道上存在一个星际尘埃环的证据,宽度大约有930万英里(1500千米)。水星的直径为3030英里(4878千米),足以让美国大陆横越过来,在这圈更宽大的尘埃环中,水星划过无数石块碎屑,环绕着我们的太阳运行。

略带讽刺意味的是,这两位科学家一开始是为了搜寻太阳附近一片“无尘区”的相关线索和证据,结果却被这个巨大的尘埃环绊住了脚。根据几十年前的一个预测,在离开太阳一定距离的区域中,太阳巨大的热量会让周围的星际尘埃灰飞烟灭,清理出一片洁净无痕的空间。如果能找到这个空间的边界所在,科学家就能了解星际尘埃本身的成分,也会有助于探索我们所在的年轻的太阳系中行星是如何形成的 。

过滤掉所有星际尘埃之后,太阳系会是什么样的?

科学家认为,行星的起源就是简单的尘埃粒子,诞生于环绕恒星的巨大星际尘埃和气体圆盘。万有引力和其他的作用力让圆盘内的物质相互碰撞,最终聚合凝结在一起。

版权:NASA’s Jet Propulsion Laboratory

到目前为止,我们还没能找到与“无尘区”相关的证据,但其中一部分原因是我们很难从地球上探测到这些线索。在地球上,无论科学家多么努力地设法去探测,横在我们和太阳之间不计其数的星际尘埃都会形成一种屏障,这也让科学家怀疑,或许我们设想的太阳周边的“无尘区”压根就不存在。

斯滕堡和霍华德想出了一个方法,他们觉得或许可以建一个模型来解决这个问题,借助于NASA日地关系观测台(Solar Terrestrial Relation Observatory,STEREO)卫星的行星际(interplanetary)空间图片数据。

最终,这两位科学家希望能对他们的模型进行测试,以为NASA的帕克太阳探测器(Parker Solar Probe)作准备,帕克太阳探测器目前正在一个相当扁的椭圆轨道上绕太阳飞行,在接下来的7年中将一点一点向太阳靠近。他们希望能用他们的技术方法去分析帕克将会发回地球的图片,探究靠近太阳附近的星际尘埃的性质。

帕克将要探索的区域距离太阳非常之近,科学家从未在这一人类尚未涉足的区域收集过数据,更不用说对这些数据进行研究了。类似斯滕堡和霍华德所建立的一些模型,为理解帕克太阳探测器的观测数据提供了重要的理论背景,同时也能一窥探测器处于怎样的太空环境,究竟是洁净无瑕还是尘土飞杨。

日地关系天文台的图片中显现出了两种光:其中一种光来自太阳熊熊燃烧的外层大气,也就是日冕(corona);另一种光由太空中漂浮的星际尘埃反射而来。由围绕太阳缓缓运动的尘埃所反射的太阳光亮度,大约比日冕发出的光要高出100倍。

“我们并不是真正想要这些星际尘埃。”霍华德说道,他同时也主要负责日地关系天文台和帕克太阳探测器上针对日冕进行拍照的照相机。“那些靠近太阳的尘埃仅仅只是在我们的观测中出现了,而一般来说,我们会把它从数据中移除掉。”像霍华德这样的太阳科学家,已经花费了数年的时间开发各种技术来消除星际尘埃的影响,他们对太阳活动进行研究是为了达到一些特定的目的,例如预测即将到来的太空天气,包括太阳某些物质的巨型爆炸(有时可能会溅射到地球上),而只有在消除掉来自星际尘埃的“光污染”之后,他们才能清楚地探测到日冕上发生的反应和产生的现象。

这两位科学家建立的模型可以作为一种工具,让其他人可以在处理日地关系天文台和未来的帕克太阳探测器传回的图片数据时,免受这些讨厌的星际尘埃的烦扰;但是对于“无尘区”的预测,他们仍存有希望。如果他们能够设计出一种将两种光区分开,并分离出来自尘埃的反射光,那就能算出太阳周围究竟存在多少星际尘埃了;打个比方说,如果他们发现拍摄的图像中所有的光都来自日冕,那就可能表明他们真的找到了“无尘区”。

水星的尘埃环仿佛上天的恩赐,来自斯滕堡和霍华德在研究他们的模型使的意外发现。当用他们的新技术来分析日地关系天文台拍摄的图片时,斯滕堡和霍华德注意到沿着水星轨道有一圈亮度较强的区域,也就是那里有更多的星际尘埃,而他们一开始只是准备弃去这些强光数据。

“这一发现并不是一个独立存在的事件,”霍华德说,“无论探测器处于什么位置,我们都能在太阳附近观测到同样5%的尘埃亮度增加,或者说5%的尘埃密度增加。这表明那里存在着什么东西,它们围绕着太阳向整个外界延伸。”

斯滕堡表示,科学家从未料想会有一个尘埃环存在于水星的运行轨道上,也可能正因为如此,我们直到现在才发现它。“我们认为水星不像地球或是金星那样,它实在太小,距离太阳也太近了,不太可能会吸附这么多星际尘埃而形成一个环,”他说道,“科学家认为来自太阳的太阳风(solar wind)和磁力会将所有水星运行轨道上的星际尘埃‘吹走’。”

凭借着意外的新发现和他们成功研究出的灵敏的新工具,研究人员对“无尘区”仍非常感兴趣。随着帕克太阳探测器对日冕的进一步探索,他们的模型也能帮助其他的研究人员,揭示所有潜伏在太阳周围的“尘埃小贼”。

藏在金星轨道中的小行星

其实这不是第一次在太阳系内部发现尘埃环了,25年之前,科学家就发现地球是在一个巨大的尘埃环中围绕太阳运行时。另有一些研究人员则在金星的运行轨道上发现了类似的尘埃环,他们一开始在2007年利用的是德-美太阳神号空间探测器(Helios space probes)的档案数据,后来在2013年借助日地关系天文台的数据证实了他们的发现。

从那时起,科学家就查明了地球运行轨道上尘埃环的来历:这些星际尘埃来自小行星带,一片位于火星和木星之间的巨型甜甜圈状的区域,太阳系中大部分小行星的栖身之处。这些岩石小行星不断地相互撞击,撞击过程中脱落的星际尘埃则会受太阳巨大引力的牵引,向太阳系内部漂移,如果地球的引力将这些星际尘埃拐走了,那它们就会留在地球的运行轨道上。

一开始的时候,金星轨道上尘埃环的形成看起来和地球轨道上的的相似,来源于太阳系其他地方产生的星际尘埃,但是当戈达德航天中心(Goddard Space Flight Center)的天体物理学家彼得?波科尔尼(Petr Pokorny)对由小行星带旋转飘向太阳的星际尘埃进行模拟时,他只得到了与地球轨道上观测到的尘埃环相符合的环状物,而没有得到金星轨道上的。

这种差异让他不禁怀疑,如果金星轨道上的尘埃环不是来源于小行星带,那又会来自哪里呢?在一系列的模拟之后,波科尔尼和他的研究搭档马克?库切纳假设这个尘埃环来自一组从未被探测到过的小行星,它们和金星一起围绕太阳运行。他们将这一研究工作发表在了2019年3月12日的《天体物理学杂志快报》(The Astrophysical Journal Letters)上。

这一可视化视频展示了对围绕太阳的金星轨道上尘埃环的模拟,科学家假设这些构成金星尘埃环的星际尘埃,来自一组从未被探测到的小行星,它们和金星一同围绕着太阳运行。

版权:NASA’s Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman

“关于这个结果,我认为最让人兴奋的一点就是,它或许能让我们发现一群新的小行星,而这可能为太阳系的形成提供了新的线索。”库切纳说道。如果波科尔尼和库切纳能够观察到这群新的小行星,它们或许就能揭开地球和金星早期形成史的面纱;应用恰当的工具,这群小行星或许同样能为太阳系的化学多样性研究带来线索。

由于金星的尘埃环分布在一个更大的轨道区域上,它比新探测到的水星尘埃环要大得多,它的外经大约有1600万英里(约2600万千米),环的宽度大约有600万英里(约970万千米),满布着大大小小的尘埃颗粒,其中最大的尘埃颗粒和砂纸上粗糙颗粒的大小相近。由于星际尘埃的存在,这片区域比其他周围的空间的密度要高大约10%,尽管如此,它的结构仍然相当松散:如果将环中所有的尘埃紧密地聚集在一起,也只会得到一颗直径约为2英里(3.2千米)的小行星。

利用十几种不同的模型工具对尘埃围绕太阳的运行进行模拟,波科尔尼已经对所有他能想到的尘埃来源进行了模型处理,只为找到能和观测数据相符的模拟金星尘埃环。他列出所有尝试过的尘埃来源,看起来就像是太阳系中岩石星体的花名册:主带小行星(Main Belt asteroids)、奥尔特云彗星(Oort Cloud comets)、哈雷型彗星(Halley-type comets)、木星族彗星(Jupiter-family comets),以及最近发生在小行星带中的碰撞。

过滤掉所有星际尘埃之后,太阳系会是什么样的?

小行星代表了太阳系岩石行星的构建基石,当它们在小行星带中相互冲击碰撞时,会有不计其数的星际尘埃脱离下来,并散落在整个太阳系之中。对这些星际尘埃进行研究,科学家可以探索早期行星的形成史。

版权:NASA's Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

“但是在所有这些模拟的模型中,没有一个是可行的,”库切纳说道,“所以我们开始自行拼凑这些尘埃的来源。”

这两位科学家认为,或许金星尘埃环中的星际尘埃来自比小行星带离金星更近的一组小行星,可能存在一组小行星与金星共轨围绕太阳运行,也就是说它们的运行轨道和金星的是同一个,只是和金星一直保持着一个较远的距离,一般而言相对于金星位于太阳的另一侧。波科尔尼和库切纳认为,这组与金星共轨的小行星直到现在都未被探测到,是因为我们很难将位于地球上的望远镜调整到那个方向,那里距离太阳如此之近,全然没有来自太阳光的干扰。

共轨的小行星就是被称为“共振轨道”(resonance orbit)的一个例子,一种将不同的运行轨道锁定在一处的轨道模式,这一模式取决于星体引力作用的相互影响。波科尔尼和库切纳对多种潜在的共振轨道进行了建模:比如当金星围绕太阳每运行3周,小行星就围绕太阳运行2周;或是金星每运行10周,小行星就运行9周;或是金星围绕太阳一周,小行星也围绕太阳一周。在所有的可能性中,有且只有一个模型对金星尘埃环作出了与实际相符的模拟:一组在金星轨道上、以与金星公转相同的速度运行的小行星。

即使找到了一个可行的假设方案,科学家仍不能就此宣告研究的终结。“我们认为我们已经发现了这些小行星的存在,但我们还需要证明这一点,并证明共振轨道的模式是真实可行的,”波科尔尼说道,“我们一开始的确激动不已,但事后又意识到,‘啊,我们还有很多工作要完成呢。’”

他们需要证明这些小行星的存在对于太阳系是有意义的,而他们同时也意识到,这些位于金星环状轨道上特别的小行星与小行星带不同的是,它们不太可能来自其他地方,如果这群小行星从太阳系初形成时就已经存在,那么他们的假说就会显得更有科学意义。

两位科学家又建立了一个另外的模型,这次他们从邻近金星的10000颗小行星群着手,让这个模拟迅速地由初始状态走完太阳系45亿年的历史,结合每一个行星所有的引力效应。当这个模型模拟到现在的时间点时,大约有800个小行星在这场时间的测试中存留了下来。

波科尔尼认为这是一个相当乐观的小行星存留率,这表明在早期太阳系的一片混沌之中,小行星是有可能在金星的运行轨道中存在的,其中有一些甚至能直至今日都一直留在那里,并成为金星尘埃环的一部分。

下一步需要做的其实是对这些难以捉摸的小行星位置进行确定,并进一步切切实实地观测到它们。“如果真有东西存在于那里,理论上我们就应该能找到它。”波科尔尼说道。想要验证它们的存在,或许可以借助像哈勃(Hubble)这样的空间望远镜,或者是类似日地关系天文台这样的星际空间成像仪。验证了存在性之后,就会有更多的问题等待科学家去探索:那里究竟有多少小行星,每颗小行星的大小又如何呢?它们是在不断地散落星际尘埃,还是一次性地将其全抛出去呢?

其他恒星周围的尘埃环

过滤掉所有星际尘埃之后,太阳系会是什么样的?

在这幅图像中,由于LSPM J0207+3331这颗白矮星(white dwarf)强大的引力作用,一颗小行星变得四分五裂。LSPM J0207+3331位于地球之外145光年的地方。科学家认为,摇摇欲坠的小行星能为这颗古老恒星周围的尘埃环带来原料。

版权:NASA’s Goddard Space Flight Center/Scott Wiessinger

水星和金星引领的尘埃环距离我们只有1~2个行星的距离,而科学家已经在遥远的恒星系统中发现了许多其他的尘埃环,这些巨大的尘埃环比系外行星(exoplanet)更容易被观测到,并且可以用于推断隐藏的行星所在,甚至还能用于探究这些隐藏行星的轨道特性。

但是想要解释太阳系外的尘埃环并不是件容易的事。“为了对其他恒星周围的尘埃环进行模拟和准确读取,我们首先必须了解我们‘地球后院’中尘埃的物理性质。”库切纳说道。邻近的水星尘埃环、金星尘埃环和地球尘埃环中的星际尘埃,记录着太阳系中万有引力的持久影响,通过对它们进行研究,科学家可以开发出新的技术,来同时理解距离我们较近和较远的尘埃环。

参考:

[1]https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/what-scientists-found-after-sifting-through-dust-in-the-solar-system

[2]https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aae6cb/meta

[3]https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0827

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