前沿速報||木星：太陽系最早的行星？

01-27

我們目前對太陽系行星的認知大致是這樣的：八大行星形成於太陽系形成之後原行星盤的吸積，外太陽系行星較早形成（太陽系形成後的約10 My（million year）以內），而內太陽系行星較晚形成（太陽系形成後的約10 My以後），但更精確的形成時間至今還不很明了。一些研究認為氣態巨行星（木星和土星）可能形成於太陽系形成後的約1-10 My，因為它們首先需要形成約10-20倍地球質量的固態內核，然後才能有氣體在外圍積聚，所以氣態巨行星應當形成於太陽星雲尚未耗散之時 (Pollack et al., 1996; Mizuno et al., 1978; Haisch et al., 2001)。

（圖1：氣態巨行星的內部結構簡圖。改編自Giant planet | Wikiwand）

近日，德國明斯特大學Kleine團隊（這裡感謝@越滾越遠的指正）採用了一種非常巧妙的方法，通過對鐵隕石中鉬和鎢同位素的分析，為確定木星的年齡提供了新的思路，也為太陽系早期演化過程提供了新的圖景。他們的研究認為：木星核形成於太陽系形成後的1 My以內，是太陽系中最早形成的行星。這一成果發表於2017年6月27日的PNAS Age of Jupiter inferred from the distinct genetics and formation times of meteorites並上了同期PNAS的封面。

來自隕石的線索

對已知隕石的軌道反演和光譜分析告訴我們，絕大多數的隕石的母星位於火星和木星之間的小行星帶（Asteroid Belt），但化學和同位素分析表明，這些母星最初並不都是形成於小行星帶，有些形成於距太陽更遠的空間 (Dauphas and Schauble, 2016; Burkhardt et al., 2011; Trinquier et al., 2007; Trinquier et al., 2009)，後來因為木星引力變化的影響，向內遷移到了小行星帶（例如尼斯模型所認為的木星軌道的遷移）。

（圖2：小行星帶的位置。改編自What is the Coldest Planet of Our Solar System? - Universe Today）

隕石按不同標準可以有多種分類，最常見的是按質地可分為：石隕石、鐵隕石和石鐵隕石；按是否含有隕石球粒可分為球粒隕石和非球粒隕石（如何推斷出隕石來自於哪個星球？ - 知乎），而本研究所需要的分類是碳隕石(carbonaceous meteorites, CC group)和非碳隕石(noncarbonaceous meteorites, NC group)，兩者都包含球粒隕石（石隕石的一種）和鐵隕石。CC隕石和NC隕石可以通過鉬元素的兩種同位素含量比值 $epsilon^{95}Mo/epsilon^{94}Mo$ 區分開，這一比值可能表明了兩類隕石的母星在形成之時距離太陽的位置遠近。兩類隕石的 $epsilon^{95}Mo/epsilon^{94}Mo$ 比沒有中間混合態，表明兩類隕石的母星很可能形成於距太陽遠近截然不同的兩個位置。

（圖3：本研究使用的CC隕石和NC隕石，其中鐵隕石 IC, IIC, IID, IIF, IIIF, 和IIIE的數據來自本研究，而球粒隕石和其他幾種鐵隕石的數據來自Burkhardt et al. (2011)）

另一方面，CC鐵隕石和NC鐵隕石的 $epsilon^{182}W/epsilon^{183}W$ 比值也表現出明顯的區分（圖4中紅色和藍色聚類為兩塊），同時 $epsilon^{182}W$ 還可以反映這些鐵隕石的母星核的形成時間（ $^{182}Hf-^{182}W$ 定年法，半衰期8.9 My），也就是NC鐵隕石的母星形成於太陽系形成後約0.3-1.8 My，CC鐵隕石的母星形成於太陽系形成後約2.2-2.8 My。通過熱模型進一步計算可知NC鐵隕石的母星在太陽系形成後 <0.4 My開始吸積，而CC鐵隕石的母星在太陽系形成後約0.9 My開始吸積。

（圖4：CC鐵隕石和NC鐵隕石的鎢同位素含量比）

資料整合和推理

綜上，我們已經得到了這些結果：

1. NC隕石和CC隕石的母星形成於太陽系距太陽遠近截然不同的兩個位置，始終沒有混合

2. NC鐵隕石的母星在太陽系形成後 <0.4 My開始吸積，而CC鐵隕石的母星在太陽系形成後約0.9 My開始吸積，此後兩者同時存在於太陽系不同位置

3. NC球粒隕石和CC球粒隕石的母星在太陽系形成後約2 My開始吸積 (Kita and Ushikubo, 2012)，此後兩者同時存在於太陽系不同位置，這一過程至少持續到太陽系形成後約3-4 My

也就是說，CC鐵隕石的母星開始吸積之後，NC隕石和CC隕石這兩塊區域再也沒有過物質交換。

作者提出的解釋是：因為木星核的形成和不斷增長在兩類隕石區域之間產生了巨大的屏障，從此阻止了兩個區域間的物質交換，這一事件最晚發生於CC鐵隕石的母星開始吸積之時（也就是太陽系形成後約1 My），這也就是木星核的最晚形成時間。

木星的成長曆程

由此推測的木星成長曆程可以分為四個階段：

stage 1：太陽系形成後 <0.4 My，NC鐵隕石的母星開始吸積，太陽系外側物質不斷向內側移動

stage 2：太陽系形成後 <0.4 My - 1 My間，木星核開始形成並達到20倍地球質量，此後，太陽系形成後約1 My，CC鐵隕石的母星開始吸積，木星外側物質向內側的移動被阻礙

stage 3：太陽系形成後約2 My，NC球粒隕石和CC球粒隕石的母星開始吸積，此時木星核已經長到20-50倍地球質量，木星內外側物質交換被阻礙

stage 4：太陽系形成後約3-4 My，木星核已經長到50倍地球質量以上，形成了一個巨大的屏障，徹底阻斷了木星內外的物質交換，這也解釋了為什麼內太陽系沒有足夠的物質可以形成木土星這樣的巨行星。

此後，氣體物質圍繞著木星核積聚，木星繼續增長至如今的約318倍地球質量。

木星的軌道遷移（如果有）應當發生於這一階段之後。

（圖5：木星的成長曆程。紅色實心圓為NC鐵隕石，藍色實心圓為CC鐵隕石，紅色空心圓為NC球粒隕石，藍色空心圓為CC球粒隕石）

PS：本文鳴謝 @凌晨曉驥大神的幫助~

參考文獻

Pollack JB, et al. (1996) Formation of the giant planets by concurrent accretion of solids and gas. Icarus 124:62–85.
Mizuno H, Nakazawa K, Hayashi C (1978) Instability of a gaseous envelope surrounding a planetary core and formation of giant planets. Prog Theor Phys 60:699–710.
Haisch KE, Lada EA, Lada CJ (2001) Disk frequencies and lifetimes in young clusters. Astrophys J 553:L153–L156.
Dauphas N, Schauble EA (2016) Mass fractionation laws, mass-independent effects, and isotopic anomalies. Annu Rev Earth Planet Sci 44:709–783.
Burkhardt C, et al. (2011) Molybdenum isotope anomalies in meteorites: Constraints on solar nebula evolution and origin of the Earth. Earth Planet Sci Lett 312:390–400.
Trinquier A, Birck J, Allegre CJ (2007) Widespread 54 Cr heterogeneity in the inner solar system. Astrophys J 655:1179–1185.
Trinquier A, et al. (2009) Origin of nucleosynthetic isotope heterogeneity in the solar protoplanetary disk. Science 324:374–376.
Kita NT, Ushikubo T (2012) Evolution of protoplanetary disk inferred from 26 Al chronology of individual chondrules. Meteorit Planet Sci 47:1108–1119.

延伸閱讀

太陽形成是宇宙塵埃堆積坍縮引起的，但同時為什麼還會形成木星土星地球等行星呢？ - 陳昱光的回答 - 知乎）