本文關(guān)鍵詞：火星異常低質(zhì)量的理論解釋

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【摘要】：太陽(yáng)系的起源是現(xiàn)代科學(xué)的基本問(wèn)題之一,是從宇宙起源到生命起源這一認(rèn)知過(guò)程中關(guān)鍵的一環(huán)。此外,現(xiàn)在人們已經(jīng)觀測(cè)到500多個(gè)太陽(yáng)系外行星,對(duì)太陽(yáng)系起源的深入研究能幫助我們理解這些系外行星系統(tǒng)的起源。最早的解釋太陽(yáng)系起源的系統(tǒng)理論是由拉普拉斯提出的星云理論。盡管這一理論在解釋行星軌道共面性等方面取得了巨大的成功,但也有其自身的困難。自從20世紀(jì)后期以來(lái),對(duì)太陽(yáng)系起源的研究取得了重大的進(jìn)展�，F(xiàn)在被人們廣為接受的解釋太陽(yáng)系起源的理論是現(xiàn)代太陽(yáng)星云理論。根據(jù)這一理論,太陽(yáng)星云是圍繞在原太陽(yáng)周?chē)臍怏w盤(pán),行星被認(rèn)為是在這個(gè)氣體盤(pán)中形成的。星云中小尺度的固體物質(zhì)經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的過(guò)程形成大尺度的固體。如果這些固體在形成過(guò)程中的某一階段質(zhì)量足夠大,其將吸積周?chē)窃频臍怏w,最終形成巨行星。質(zhì)量較小的則最終形成類(lèi)地行星。 盡管太陽(yáng)星云理論為理解太陽(yáng)系的起源提供了一個(gè)整體的框架,但是要完全理解太陽(yáng)系的起源仍然有許多工作要做。根據(jù)現(xiàn)在太陽(yáng)系的觀測(cè),火星的質(zhì)量只有地球的十分之一,若排除距離太陽(yáng)最近的水星和距離太陽(yáng)最遠(yuǎn)的冥王星,這一質(zhì)量遠(yuǎn)小于其它行星的質(zhì)量。關(guān)于火星的這一異常低質(zhì)量問(wèn)題至今還沒(méi)有一個(gè)廣泛接受的理論能夠解釋。本文對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究,并給出了一個(gè)自然合理的解決辦法。 在20世紀(jì)70年代,人們根據(jù)目前太陽(yáng)系中行星的元素組成反推得到一最小質(zhì)量的太陽(yáng)星云。星云的面密度與半徑之間的關(guān)系近似為∑∝R-3/2。用這一模型解釋火星的異常低質(zhì)量,需要假定存在其它的物理過(guò)程將質(zhì)量從火星區(qū)優(yōu)先地移走。一種觀點(diǎn)認(rèn)為來(lái)自木星區(qū)的星子受到擾動(dòng)會(huì)進(jìn)入偏心率大的軌道,它們會(huì)通過(guò)火星和小行星區(qū),并與那里已經(jīng)形成的星子發(fā)生碰撞。在火星和小行星區(qū)這種碰撞是非常劇烈的,因此這里的物質(zhì)會(huì)有很大的損耗,進(jìn)而造成了火星的異常低質(zhì)量。另外,利用多體模擬研究類(lèi)地行星形成過(guò)程的結(jié)果顯示火星是一個(gè)沒(méi)有經(jīng)過(guò)碰撞的剩余的原行星。這些模擬初始時(shí)所假定的原行星面密度分布同樣是基于單調(diào)的星云結(jié)構(gòu)模型。而單調(diào)的面密度分布不能自然符合現(xiàn)有的行星質(zhì)量分布。 為了解決火星的異常低質(zhì)量問(wèn)題,我們利用新的星云演變模型研究了太陽(yáng)星云的演變問(wèn)題。我們的星云演變模型給出的面密度分布是非單調(diào)的,在火星區(qū)存在極小值,這與傳統(tǒng)的星云模型(如最小質(zhì)量的太陽(yáng)星云模型)單調(diào)的面密度分布是有本質(zhì)差別的。我們這里的非單調(diào)面密度分布自然地符合現(xiàn)有行星質(zhì)量的分布。 星云面密度分布極小值的出現(xiàn),是由于在我們的星云模型中采用了目前廣為接受的非均勻的粘滯機(jī)制。根據(jù)現(xiàn)在星云中粘滯機(jī)制的研究結(jié)果,由磁轉(zhuǎn)動(dòng)不穩(wěn)(MR[)引起的磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)湍流是星云中角動(dòng)量輸運(yùn)的主要機(jī)制之一。我們考慮了由MRI引起的非均勻粘滯(在空間和時(shí)間均變化)。這一機(jī)制基于磁場(chǎng)與星云中物質(zhì)的相互作用,這就意味著只有星云中的物質(zhì)有一定程度的電離時(shí),這種機(jī)制才能起作用。跟據(jù)MRI能否在星云中起作用,可將星云沿徑向分為不同的區(qū)。在半徑小的區(qū)域?yàn)樾窃频膬?nèi)區(qū),這里的溫度足夠高,可以誘發(fā)物質(zhì)的熱電離,MRI能夠發(fā)生,因此粘滯高。在星云大半徑處是星云的外區(qū),這里溫度低以至于物質(zhì)不能熱電離,但這里的面密度足夠低,宇宙射線能夠穿透星云誘使物質(zhì)電離,MRI能夠發(fā)生,因此粘滯高。在星云內(nèi)區(qū)和外區(qū)之間是中間區(qū),這里的溫度既沒(méi)有高到可以誘發(fā)熱電離,面密度也沒(méi)有低到可以使宇宙射線電離物質(zhì),這一區(qū)域大部分MRI不能存在,因此粘滯低,只有表面可以被宇宙射線穿透,維持高粘滯。此外,由于內(nèi)區(qū)和中間區(qū)粘滯的不同,在星云演變的過(guò)程中將出現(xiàn)熱不穩(wěn)定現(xiàn)象。 我們的星云模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示,星云在演變的過(guò)程中,存在面密度的極小值。極小值包括持續(xù)的極小值(sustained minimum,簡(jiǎn)稱(chēng)SM),還有一個(gè)臨時(shí)的極小值(temporary minimum,簡(jiǎn)稱(chēng)TM)。TM位于星云內(nèi)區(qū)和中間區(qū)的交界處,它的出現(xiàn)是由于內(nèi)區(qū)和中間區(qū)的粘滯不同造成的。在星云的內(nèi)區(qū),由于MRI能夠發(fā)生,粘滯高,吸積率大,而在中間區(qū),粘滯低,吸積率低。因此會(huì)造成內(nèi)區(qū)和中間區(qū)交界處物質(zhì)快速的消耗,進(jìn)而形成一面密度極小值,即TM。在星云的演變過(guò)程中,TM在火星區(qū)附近做往復(fù)運(yùn)動(dòng),我們指出這是由于星云中存在熱不穩(wěn)定性造成的。隨著TM的往復(fù)運(yùn)動(dòng),其不斷地消耗這一區(qū)域內(nèi)的物質(zhì),進(jìn)而在火星區(qū)附近形成了一個(gè)擁有SM的低面密度區(qū)域。 通過(guò)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的類(lèi)地行星形成模型,我們從三個(gè)方面討論了面密度的極小值(包括SM和TM)對(duì)火星質(zhì)量的影響。首先,火星區(qū)低的面密度導(dǎo)致低的質(zhì)量供給,限制了火星區(qū)質(zhì)量的來(lái)源。其次,低的面密度導(dǎo)致星子形成的速率低,進(jìn)而導(dǎo)致火星區(qū)低的星子面密度。最后,低的面密度使得這一區(qū)域的原行星在無(wú)序生長(zhǎng)階段不容易獲得質(zhì)量,即容易成為一個(gè)剩余的原行星。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類(lèi)號(hào)】：P185.83

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1305547