2022年5月11日下午14:00~15:40，我们荣幸地邀请到浙江大学刘倍贝研究员做了题为“重建太阳系的童年”的报告。报告主要有两部分组成，一是介绍刘倍贝团队对陨石的同位素二分性的成因的新假说，二是介绍巨行星的轨道动力学不稳定性。
（一）陨石的二分性
太阳系物质的同位素二分性（Kruijer et al. 2019. Nature Astronomy）
陨石的同位素二分性指的是碳质球粒陨石（carbonaceous chondrites）和非碳质球粒陨石（non-carbonaceouschondrites, 包括顽火辉石球粒陨石、普通球粒陨石、火星陨石、月球、地球以及一些分异小行星陨石等）在诸如ε54Cr-ε50Ti等一些同位素组成上的截然差异，而且这两个截然的分区之间缺乏过渡样品。前人认为在太阳星云的早期演化中，在靠近太阳的形成了以非碳质球粒陨石为主要组成物质的内带，在远离太阳的部位形成了以碳质球粒陨石陨石为主的外带。
然而，木星核的快速形成（1~4Ma after CAI）形成了一个巨大开沟（gap），进而阻碍了上述两个分带之间的物质交换。但是，木星开沟只能阻碍较大尺寸的物质（>1 cm），却无法阻挡较小的灰尘颗粒（<0.1 cm）通过“渗透”（filtration）向太阳迁移。既然木星的开沟不能解释陨石的同位素二分性成因，那么什么机制可以呢？尤其是考虑到Ureilite、Vesta和Angrite（这三个都是非碳质球粒陨石）形成于CAI之后的1 Ma之内，而碳质球粒陨石则形成于CAI之后的3~4Ma左右，两个陨石分区的隔离可能持续了2~3 Ma，什么过程可以实现这个时间尺度呢？
太阳星云原行星盘的气体外流模型（Liu et al. 2022. Science Advances）
刘倍贝指出太阳星云的可能是一个粘滞盘，为了保持盘整体角动量的守恒，内盘的气体受正在形成的太阳的吸引而向内运动，而外盘的气体则向外运动，形成外流。前人的研究考虑了尘埃的外流，但是由于气体的流速相对来说太小，被忽视掉了。如果不考虑气体外流（disk spreading），40-50AU的颗粒只需要< 1Ma就能迁移到主星；如果考虑气体外流，时长可达3~4 Ma左右。因此，并不需要木星的快速形成，只需要气体的外流就可以实现碳质球粒陨石和非碳质球粒陨石两个分区的隔离时间及后续的有限度混合。
（二）巨行星的轨道动力学不稳定性
前人的研究表明，太阳系的巨行星（木星、土星、天王星和海王星）形成以后，会和气体盘相互作用，导致其轨道的不稳定，形成共振捕获，最终轨道稳定下来之后，巨行星的轨道公转周期为整数比。然而，现在太阳系四个巨行星的轨道并不是共振轨道，为什么呢？再者，巨行星和气体盘相互作用会使得巨行星的轨道变成整圆，然而木星轨道的偏心率在0.046。木星是一个特别大的天体，要想打破原有的共振态，导致木星轨道的动荡，并不是特别容易。
之前，法国Nice天文台认为在海王星之外还有不少星子，这些星子由于轨道进动的效应累计起来导致木星脱离轨道共振态，形成现在的排布。Nice模型要求长时间的叠加效应才能诱发木星轨道的向内迁移，进而在某个时间段造成小行星带的紊乱，使得类地行星被小行星密集撞击。Nice模型的这一推论可以很好地解释月球可能经历过的Late Heavy Bombardment（晚期月表陨石密集撞击，见百科词条：https://baike.sogou.com/kexue/d28607850100046083.htm）。但是，这一模型的问题是，一旦巨行星的轨道不稳定发生在类地行星形成以后，也会牵连类地行星的轨道不稳定性，使得类地行星的轨道分布很难是现今观察到的状态。Nice模型可以归结为巨行星的晚期轨道不稳定性。
反弹模型提出的巨行星的早期轨道不稳定性（Liu et al. 2022. Nature）
针对这一问题，刘倍贝等人提出了反弹模型（Rebound Model）：在气体盘耗散的过程中，受气体的影响，巨行星脱离轨道共振状态，发生轨道不稳定性。反弹模型最初应用于系外行星系统，以主星磁场为媒介来实现对内盘的清空。但是对于太阳系木星区域来说，主星磁场效应很弱，而主星的光热电离效应成为了更强的因素，它加热内盘的气体，形成热风向外吹。刘倍贝等人的研究发现，气体耗散导致的巨行星轨道不稳定性发生在0.5~1 Ma左右。反弹模型表明巨行星的轨道不稳定性发生在类地行星形成之前，能很好地解释现在越来越多的证据表明可能不存在一个Late Heavy Bombardment（晚期月表陨石密集撞击）。
刘倍贝研究员的报告将重要科学问题的矛盾之处条分缕析，并最终给出了合理的解决方案。来自中国科学院、澳门科技大学、四川大学、西华师范大学等同行参加了报告和在线交流。
封面图片：https://wallup.net/space-solar-system/
