由我校物理與天文學(xué)院劉尚飛副教授與日本、瑞士、美國(guó)及國(guó)內(nèi)的研究人員組成的科研團(tuán)隊(duì)使用超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)木星內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成與演化開(kāi)展了研究，揭示了木星演化中的重要一環(huán)：在大約45億年前木星捕獲并吞噬了一個(gè)約十倍地球質(zhì)量的行星胚胎，巨大的撞擊瓦解了木星的原初致密核。這一新模型完美地解釋了令人費(fèi)解的木星稀釋核結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制。該研究成果以“The formation of Jupiter’s diluted core by a giant impact”為題于北京時(shí)間8月15日凌晨1點(diǎn)在線(xiàn)發(fā)表于著名期刊《自然》（Nature）。
在太陽(yáng)系的早期，年輕的木星在成長(zhǎng)階段引力擾動(dòng)增強(qiáng)使其軌道附近的一個(gè)
行星胚胎與木星發(fā)生了碰撞（藝術(shù)想象圖）。 [圖片來(lái)源：日本天體生物學(xué)中心]
美國(guó)宇航局的朱諾號(hào)（Juno）木星探測(cè)器自從2016年7月飛抵木星以來(lái)，傳回了大量的新數(shù)據(jù)，大大加深了人類(lèi)對(duì)這顆太陽(yáng)系中最大的行星的認(rèn)識(shí)。除了對(duì)木星表層及磁場(chǎng)等研究外，朱諾號(hào)還對(duì)木星引力場(chǎng)進(jìn)行了精密測(cè)量。研究表明木星核的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了理論預(yù)期，接近自身半徑的一半，并且其密度也偏低?！斑@就是所謂的木星的稀釋核，它說(shuō)明木星核除了含有巖石和冰等密度大的物質(zhì)成分外，還混入了大量的低密度的氫和氦，并且木星的核與外層由氫和氦主導(dǎo)的氣體包層間并沒(méi)有以前認(rèn)為存在的明顯的分界線(xiàn)”，劉尚飛說(shuō)道。
木星的稀釋核結(jié)構(gòu)一度讓研究人員十分困惑，因?yàn)樾行切纬衫碚撜J(rèn)為木星的形成是在一個(gè)小而致密的核形成后再?gòu)脑继?yáng)星云中吸積了大量的氫和氦從而形成了氣體包層?！澳拘窍♂尯说拇嬖诒砻饔心撤N機(jī)制導(dǎo)致了原初致密核中的物質(zhì)與氣體包層中的氫和氦發(fā)生了混合,并且稀釋核不同尋常的大小很難通過(guò)行星內(nèi)部演化形成，而更像是經(jīng)過(guò)了某種劇烈地過(guò)程導(dǎo)致的混合” ，劉尚飛補(bǔ)充說(shuō)，“正是由于理論與探測(cè)器發(fā)回的數(shù)據(jù)之間存在的尖銳矛盾啟發(fā)了我們提出大撞擊理論?！?/p>
行星間發(fā)生碰撞在行星形成過(guò)程中是非常普遍的現(xiàn)象。例如我們的月球就是由于一顆火星大小的行星與地球發(fā)生碰撞后形成的。有證據(jù)表明其他的類(lèi)地行星以及冰巨星天王星也經(jīng)歷過(guò)碰撞過(guò)程。劉尚飛說(shuō)：“這是人們首次在氣體巨行星上找到發(fā)生行星碰撞的直接證據(jù)?！崩糜?jì)算機(jī)模擬研究了上萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)系早期的演化模型，劉尚飛副教授與合作者們發(fā)現(xiàn)在氣體包層快速增長(zhǎng)階段的木星會(huì)對(duì)周?chē)谛纬芍械男行桥咛ギa(chǎn)生強(qiáng)大的引力擾動(dòng)，其后果是有接近一半的概率木星會(huì)在接下來(lái)的幾百萬(wàn)年的時(shí)間內(nèi)與另一顆原行星發(fā)生碰撞。“因?yàn)槟拘堑囊Ψ浅?qiáng)，導(dǎo)致這樣的碰撞過(guò)程接近正碰。因此如果另一顆行星的質(zhì)量接近十倍地球質(zhì)量就會(huì)像子彈一樣穿透木星巨大的氣體包層直接打碎原初的致密核，”劉尚飛說(shuō)，“我們也模擬了非正碰或者發(fā)生碰撞的行星質(zhì)量較低的情形，結(jié)果都不能形成稀釋核。由于碰撞是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，我們有理由相信土星在形成過(guò)程中可能也會(huì)經(jīng)歷類(lèi)似的過(guò)程。那么這就提供了一個(gè)很好的角度來(lái)研究木星和土星內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異的起源。這也是未來(lái)我們工作的一個(gè)方向?！?/p>
具有原初致密核的木星與一個(gè)十倍地球質(zhì)量的行星胚胎發(fā)生碰撞，結(jié)果導(dǎo)致稀釋核
的產(chǎn)生。圖中的顏色表示物質(zhì)密度 [圖片來(lái)源：劉尚飛]
進(jìn)一步的長(zhǎng)期熱演化模型驗(yàn)證了這種由碰撞產(chǎn)生的木星內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定存在長(zhǎng)達(dá)46億年，即太陽(yáng)系的年齡。因此研究團(tuán)隊(duì)找到了迄今合理解釋木星的稀釋核成因的最佳理論模型（審稿人評(píng)價(jià)“I find that the manuscript now proposes an explanation that can be considered as the best one available to explain the existence of a diluted core.”）。
“這項(xiàng)研究對(duì)于系外行星的研究也有啟發(fā)性意義，因?yàn)槟壳拔覀儼l(fā)現(xiàn)的幾千顆系外行星中，有一部分是既知道質(zhì)量也知道大小的。那么我們就能推算出系外行星的平均密度。其中有一些系外行星的平均密度很大，有一個(gè)可能的解釋就是這些行星經(jīng)歷了行星撞擊過(guò)程，導(dǎo)致其損失了大量的氫和氦”，劉尚飛說(shuō)。
據(jù)悉，我國(guó)的太陽(yáng)系深空探測(cè)計(jì)劃也包括了在2030年左右對(duì)木星系開(kāi)展深空探測(cè)。劉尚飛說(shuō)：“我希望到時(shí)候可以用上中國(guó)的探測(cè)器的數(shù)據(jù)來(lái)研究木星的形成與演化?！?/p>
我校物理與天文學(xué)院劉尚飛副教授是該論文第一作者與通訊作者，中山大學(xué)是第一署名單位。參加該項(xiàng)研究的科研人員還包括，日本天體生物學(xué)中心堀安範(fàn)博士、瑞士蘇黎士大學(xué)理論天體物理與宇宙學(xué)中心Ravit Helled教授和博士研究生Simon Müller、清華大學(xué)天文系鄭曉晨博士、美國(guó)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院院士加州大學(xué)圣塔克魯茲分校天文與天體物理系林潮教授，以及美國(guó)萊斯大學(xué)物理與天文系A(chǔ)ndrea Isella助理教授。
行星科學(xué)是我校物理與天文學(xué)院的重點(diǎn)發(fā)展方向，通過(guò)積極引進(jìn)海內(nèi)外優(yōu)秀人才，已經(jīng)形成了一支包含6名專(zhuān)任教師在內(nèi)的10多人的科研團(tuán)隊(duì)，不斷取得具有國(guó)際顯示度的科研成果，本次劉尚飛副教授在國(guó)際頂級(jí)刊物上發(fā)表論文，標(biāo)志著我校在行星科學(xué)研究領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。
