研究：早期太阳有类似土星环的结构

新研究提出太阳在年轻的时候，周围的尘埃盘并不是连续分布的一片盘状，而是分成三道尘埃环，不同的行星在不同的环内诞生，这个机制最终限制了地球的大小，而没有长成“超级地球”。

阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）拍摄到恒星HD163296的周围有多个环状结构。新研究认为太阳系演化过程中也有类似的结构。（ANDREA ISELLA/RICE UNIVERSITY）

这份研究利用超级电脑模拟了几百种太阳系诞生初期的情形，让它们按照行星演化原理发展。研究人员发现，其中一个模型中的太阳周围有好几圈尘埃环，这样演化出来的结果和现在的太阳系最相近，能解释太阳系现在的许多特点，包括为什么火星和木星之间有一个小行星带、为什么来自太阳系内围和外围两个区域的化学物质有着明显的区别，以及为什么在海王星轨道以外有个富含彗星、小行星的柯伊伯带（Kuiper belt）等。

不过其中最有趣的一项是，研究称这个模型能解释为什么地球没有长成“超级地球”。所谓超级地球就是体积比地球大得多、由岩石构成、具有大气层甚至地表存在液态水的行星。科学家发现，银河系内三分之一和太阳系差不多的恒星系统里，都发现了超级地球这样的系外行星。可是为什么太阳系内不存在一个超级地球?

这份研究认为，太阳系诞生的初期，太阳周围的尘埃盘内的物质不是均匀连续地分布，而是至少分成了三道像现在土星周围那样的尘埃环。研究人员把它叫做“压力带”（pressure bumps）。不同的行星在不同的压力带内诞生，只能提取所在尘埃环之内的物质，这限制了行星成长可用的资源，所以地球没能长成更大的体积。

过去几十年来，科学家们都知道行星是在恒星周围的“原始行星盘”内诞生的，但是以为尘埃盘内的尘埃是连续分布的，而且距离恒星越远尘埃分布的密度越小。但是这份研究的模拟演化模型显示，这样连续的尘埃盘内其实不太可能诞生行星。

这份研究的主要作者之一美国莱斯大学（Rice University）的天文学家安德里亚·伊塞拉（Andrea Isella）说：“在连续的尘埃盘里，所有的固体粒子很快都会被太阳吸收。需要某种机制阻止它们落入恒星，这些物质才有时间成长为行星。”

合作研究者安德烈·伊齐多罗（André Izidoro）进一步解释说，如果固体粒子绕行恒星的速度比它周围的气体快，“固体粒子就像遇到阻力一样（减缓了它们的速度，减小了离心力），使得它们快速落向恒星。”而在“压力带”，气体压力增加，运动的速度加快，固体粒子不再感到阻力，“这使得尘埃颗粒在压力带内聚集”。

这份研究认为，越靠近太阳的地方温度越高，尘埃盘内不同区域内的物质被气化从而产生环状的气化带，也就是研究者所称的“压力带”。

具体来说，这份研究认为太阳的周围从里到外分别有硅酸盐、水和一氧化碳这三种物质被气化而形成的环带。最靠近太阳的一圈，是像沙子、玻璃、二氧化硅这些物质被气化而形成的环带，水星、金星、地球和火星都在这个环带内诞生。中间一圈是水蒸气环带，最外面一圈是一氧化碳气化带。

研究还认为，随着太阳系年龄的增大，行星盘在冷却，这些气化带将不断向内移动靠近太阳。在这个移动的过程中尘埃累积变成小行星那样规模的天体，之后再继续长成行星。

这份研究2021年12月30日发表于《自然·天文学》（Nature Astronomy）期刊。