古老陨石蕴藏的星云奥秘——高研院白雪宁合作阐述太阳星云的磁场演化


清华新闻网1月4日电 近日,清华大学高等研究院研究员、天文系兼职教师白雪宁与合作者发表了关于利用陨石古地磁学研究太阳星云磁场的长篇综述。文章系统讨论了太阳系形成早期的“太阳星云”中磁场分布和演化的理论预期,全面介绍了陨石古地磁学的测量方法和结果,并通过两者的对比限制了太阳星云的演化和其中的行星形成过程。

太阳系形成于大约46亿年前。此时太阳形成过程的残余气体围绕早期太阳旋转构成一个盘,它被称作“太阳星云”。太阳星云中富含尘埃,正是其中尘埃的聚集、生长、吸积、并最终形成了太阳系的行星系统。早在上世纪80年代,天文学家发现在银河系的恒星形成区中,新生恒星周围普遍存在这样的盘,称为“原行星盘”。磁场被认为对原行星盘的形成,演化及其内部的动力学起着决定性作用,进而影响行星形成的进程。尽管目前人们很难直接探测到原行星盘的磁场,但古老的陨石在形成时能够记录当时太阳星云中的磁场信息,可通过古地磁学手段还原出来。

图1.磁场在原行星盘/太阳星云中驱动盘演化的重要机制:磁转动不稳定性(左)和磁盘风(右)

对原行星盘的天文观测表明,原行星盘向中心的原恒星吸积并驱动外流,在形成几百万年后消散。理论研究表明,磁场在原行星盘中主要通过磁转动不稳定性和/或磁盘风等机制驱动盘的吸积和演化,其速率同磁场强度正相关。通过古地磁学还原出的太阳星云磁场强度所能驱动的盘吸积率同观测到盘的吸积率范围一致,为盘理论提供了重要实验验证。由于陨石年龄能够较为准确地测定,古地磁学研究同时给出了太阳星云随时间演化的图像,表明磁场随时间减弱,太阳星云寿命在300-400万年之间,同典型的原行星盘一致。这些结果同时对球粒陨石的形成机制,巨行星形成的时标等给出有力限制。

图2.陨石中记录到的太阳星云磁场随时间的演化图,显示出磁场逐渐减弱,而太阳星云在形成300-400万年后消散

该综述文章于2021年1月1日在线发表于《科学·进展》(Science Advances),题为“太阳星云历史的陨石古地磁学研究”(History of the solar nebular from meteorite paleomagnetism),并被选为封面文章。本篇综述麻省理工学院地球、大气与行星科学系的本杰明·韦斯(Benjamin Weiss)教授和白雪宁研究员同为通讯作者,共同作者还包括哈佛大学地球与行星科学系助理教授傅任楠(Roger Fu)。白雪宁研究员长期从事原行星盘气体动力学的理论和数值模拟研究,其中引入诸多微观物理过程揭示出磁场驱动盘演化的机理以及盘磁场的结构。近年来,他同韦斯教授的研究团队合作在《科学》(Science)杂志发表过2篇利用古地磁学探究太阳星云磁场的相关文章。

2021年第一期《科学·进展》封面图

论文链接:

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

供稿:高研院

编辑:李华山

审核:吕婷

2021年01月04日 09:49:53  清华新闻网

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