在地球和其他行星形成之前，年輕的太陽被宇宙氣體和塵埃所包圍。慢慢地，在幾千年的時間里，不同大小的巖石碎片從灰塵中形成。其中許多成為后來行星的構(gòu)件。其他的沒有成為行星，今天繼續(xù)圍繞著太陽，例如小行星帶中的小行星。

來自蘇黎世聯(lián)邦理工學院和國家行星研究中心(NCCR)PlanetS的研究人員與一個國際團隊一起分析了作為隕石落在地球上的小行星核心的鐵樣本。在這樣做的過程中，他們揭示了它們在行星形成過程中的部分早期歷史。他們的成果最近發(fā)表在《自然-天文學》雜志上。

早期太陽系的見證者

研究的主要作者、蘇黎世聯(lián)邦理工學院和NCCR PlanetS的研究員Alison Hunt 解釋說：“以前的科學研究表明，太陽系中的小行星自數(shù)十億年前形成以來一直保持相對不變。因此，它們是一個檔案，其中保存了早期太陽系的條件。”

但是為了打開這個檔案，研究人員必須徹底準備和檢查地外材料。研究小組從18個不同的鐵隕石中提取樣本，這些隕石曾經(jīng)是小行星金屬核心的一部分。為了進行分析，他們必須溶解這些樣本，以便能夠分離出鈀、銀和鉑等元素進行詳細分析。在質(zhì)譜儀的幫助下，他們測量了這些元素的不同同位素的豐度。同位素是特定元素的不同原子，在這種情況下，鈀、銀和鉑，它們的原子核中都有相同數(shù)量的質(zhì)子，但中子的數(shù)量不同。

在我們太陽系的最初幾百萬年里，金屬小行星的核心被同位素的放射性衰變所加熱。當它們開始冷卻時，由放射性衰變產(chǎn)生的一種特定的銀同位素開始積累起來。通過測量鐵質(zhì)隕石內(nèi)現(xiàn)今的銀同位素比率，研究人員可以確定小行星核心冷卻的時間和速度。

結(jié)果顯示，冷卻是迅速的，很可能是由于與其他天體的嚴重碰撞而發(fā)生的，這些碰撞打破了小行星的絕緣巖質(zhì)地幔，使其金屬核心暴露在太空的寒冷中。雖然以前基于銀同位素測量的研究已經(jīng)表明了快速冷卻，但時間仍然不清楚。

“我們對鉑金同位素豐度的額外測量使我們能夠糾正銀同位素測量中因宇宙對樣品的照射而造成的扭曲。因此，我們能夠比以前更精確地確定碰撞的時間，”Hunt報告說。“令我們驚訝的是，我們檢查的所有小行星核心幾乎是同時暴露的，在太陽系形成后780萬到1170萬年的時間范圍內(nèi)。”

不同小行星的近乎同時的碰撞向研究小組表明，這一時期一定是太陽系非常不穩(wěn)定的階段。Hunt說：“在那個時候，所有的東西似乎都砸在了一起。而我們想知道為什么?”

從實驗室到太陽星云

該小組考慮了不同的原因，將他們的結(jié)果與太陽系發(fā)展的最新、最復雜的計算機模擬的結(jié)果相結(jié)合。這些來源加在一起，可以縮小可能的解釋。

“最能解釋太陽系早期這一高能量階段的理論表明，它主要是由所謂的太陽星云的消散造成的，”研究報告的共同作者、NCCR PlanetS成員、蘇黎世聯(lián)邦理工學院宇宙化學教授Maria Schönbächler解釋。“這個太陽星云是宇宙云中剩余的氣體，太陽就是從那里誕生的。”Schönbächler說：“在幾百萬年里，它仍然圍繞著年輕的太陽運行，直到它被太陽風和輻射吹走。”

當星云還在的時候，它減慢了在其中圍繞太陽運行的天體的速度--類似于空氣阻力減慢一輛行駛中的汽車。研究人員認為，在星云消失后，由于缺乏氣體阻力，小行星得以加速并相互碰撞--就像被調(diào)到渦輪模式的碰碰車。

“我們的工作說明了實驗室測量技術(shù)的改進如何使我們能夠推斷出發(fā)生在早期太陽系的關(guān)鍵過程--比如太陽星云可能在什么時候消失。像地球這樣的行星在那個時候仍然處于誕生的過程中。”Schönbächler總結(jié)說：“最終，這可以幫助我們更好地了解我們自己的行星是如何誕生的，同時也讓我們了解到太陽系以外的其他行星。”