古老隕石藴藏的星雲奧祕——高研院白雪寧合作闡述太陽星雲的磁場演化


清華新聞網1月4日電 近日,清華大學高等研究院研究員、天文系兼職教師白雪寧與合作者發表了關於利用隕石古地磁學研究太陽星雲磁場的長篇綜述。文章系統討論了太陽系形成早期的“太陽星雲”中磁場分佈和演化的理論預期,全面介紹了隕石古地磁學的測量方法和結果,並通過兩者的對比限制了太陽星雲的演化和其中的行星形成過程。

太陽系形成於大約46億年前。此時太陽形成過程的殘餘氣體圍繞早期太陽旋轉構成一個盤,它被稱作“太陽星雲”。太陽星雲中富含塵埃,正是其中塵埃的聚集、生長、吸積、並最終形成了太陽系的行星系統。早在上世紀80年代,天文學家發現在銀河系的恆星形成區中,新生恆星周圍普遍存在這樣的盤,稱為“原行星盤”。磁場被認為對原行星盤的形成,演化及其內部的動力學起着決定性作用,進而影響行星形成的進程。儘管目前人們很難直接探測到原行星盤的磁場,但古老的隕石在形成時能夠記錄當時太陽星雲中的磁場信息,可通過古地磁學手段還原出來。

圖1.磁場在原行星盤/太陽星雲中驅動盤演化的重要機制:磁轉動不穩定性(左)和磁盤風(右)

對原行星盤的天文觀測表明,原行星盤向中心的原恆星吸積並驅動外流,在形成幾百萬年後消散。理論研究表明,磁場在原行星盤中主要通過磁轉動不穩定性和/或磁盤風等機制驅動盤的吸積和演化,其速率同磁場強度正相關。通過古地磁學還原出的太陽星雲磁場強度所能驅動的盤吸積率同觀測到盤的吸積率範圍一致,為盤理論提供了重要實驗驗證。由於隕石年齡能夠較為準確地測定,古地磁學研究同時給出了太陽星雲隨時間演化的圖像,表明磁場隨時間減弱,太陽星雲壽命在300-400萬年之間,同典型的原行星盤一致。這些結果同時對球粒隕石的形成機制,巨行星形成的時標等給出有力限制。

圖2.隕石中記錄到的太陽星雲磁場隨時間的演化圖,顯示出磁場逐漸減弱,而太陽星雲在形成300-400萬年後消散

該綜述文章於2021年1月1日在線發表於《科學·進展》(Science Advances),題為“太陽星雲歷史的隕石古地磁學研究”(History of the solar nebular from meteorite paleomagnetism),並被選為封面文章。本篇綜述麻省理工學院地球、大氣與行星科學系的本傑明·韋斯(Benjamin Weiss)教授和白雪寧研究員同為通訊作者,共同作者還包括哈佛大學地球與行星科學系助理教授傅任楠(Roger Fu)。白雪寧研究員長期從事原行星盤氣體動力學的理論和數值模擬研究,其中引入諸多微觀物理過程揭示出磁場驅動盤演化的機理以及盤磁場的結構。近年來,他同韋斯教授的研究團隊合作在《科學》(Science)雜誌發表過2篇利用古地磁學探究太陽星雲磁場的相關文章。

2021年第一期《科學·進展》封面圖

論文鏈接:

//advances.sciencemag.org/content/7/1/eaba5967

供稿:高研院

編輯:李華山

審核:呂婷

2021年01月04日 09:49:53  清華新聞網

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