New insight into Jupiter’s diluted core

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New insight into Jupiter’s diluted core

Jupiter was smacked head-on by a massive planetary embryo about 4.5 billion years ago in the early solar system, according to a new study published in the journal Nature on August 15, 2019. An international collaboration team including two astronomers from Tsinghua University, Dr. Xiaochen Zheng from Department of Astronomy and Department of Physics and Prof. Doug Lin from Institute for Advanced Study, demonstrate their giant impact scenario can explain Jupiter’s large diluted core inferred from Jupiter’s gravity field measurement by the Juno mission. The study was led by Dr. Shangfei Liu from Sun Yat-Sen University. The paper can be found at https://www.nature.com/articles/s41586-019-1470-2


清华天文系合作参与在《自然》发文揭示了木星稀释核结构成因


清华大学研究人员参与的一个国际研究团队利用超级计算机对木星的内部结构形成与演化进行了研究,揭开了木星演化历史中的重要一环:在大约45亿年前木星捕获并吞噬了一个约十倍地球质量的行星胚胎,巨大的撞击瓦解了木星的原初致密核。这一新理论有效地解释了令人费解的木星稀释核结构的形成机制。 该研究成果以“The formation of Jupiter’s diluted core by a giant impact”为题,于8月15日在线发表于国际著名期刊《自然》(Nature)。


众所周知,木星是太阳系中最大的一颗行星,质量为地球的三百多倍,其主要成份是氢和氦,而其核心则主要由少量重元素(相比于氢和氦)构成。针对木星内部的结构研究,是理解木星以及其它巨行星形成与演化的关键。传统的行星形成理论认为,以木星为代表的气体巨行星其形成大致分为两个阶段:首先,在原始太阳星云的气体环境下,由重元素构成的尘埃微粒经历数百万年的演化,缓慢成长为若干分布于不同轨道上的数倍于地球质量的行星胚胎;然后,当其中某个行星胚胎的质量超过临界值(约为地球的十倍)时,其成长方式将从相对缓慢的固体吸积转变为快速的气体吸积,通过大量吸积周围的氢和氦,迅速形成气体包层。在大约不到一百万年的时间内质量增长数十倍,形成原初木星。因此,根据传统的行星形成理论,在木星的巨大气体包层下应该存有一个由重元素构成的小而致密的内核。


图1:具有原初致密核的木星与一个十倍地球质量的行星胚胎发生碰撞,结果导致稀释核的产生。图中的颜色表示物质密度。

然而,近期由木星探测器“朱诺”号发回的木星引力场测量数据,却与预期大相径庭。分析表明,木星核很可能混入了大量的氢和氦,并非完全由重元素组成。此外,木星核区的大小也远超理论值,甚至可能接近木星半径的一半,因此被称为稀释核。这一发现向传统的行星形成理论提出了重大挑战,即使现有的核侵蚀等假说,都不能很好的解释木星巨大的稀释核成因。


在本研究中,通过超级计算机模拟了早期太阳系的行星形成过程,团队发现在木星快速吸积气体、质量显著增长的阶段,其对附近其它行星胚胎的引力扰动迅速增强,导致木星与其轨道附近的行星胚胎碰撞概率接近一半。三维的流体力学模拟显示,当发生正碰的行星胚胎其质量与木星原初致密核相近时,木星的原初致密核会被彻底撞碎,形成类似于稀释核的内部结构(如图1所示)。而长期的热演化模型,进一步验证了由碰撞产生的木星内部结构可以稳定存在长达46亿年(即太阳系年龄)。因此,研究团队找到了迄今为止能够合理解释木星稀释核的最佳理论模型。这项研究同时指出了气体巨行星形成初期发生碰撞过程的普遍性,这对未来研究木星与土星的内部结构差异性也有重要启示。


中山大学物理与天文学院刘尚飞副教授是该论文第一作者与通讯作者;清华大学天文系、物理系郑晓晨博士与清华大学高等研究院、美国加州大学圣塔克鲁兹分校天文与天体物理系林潮教授参与了本项研究。其他合作者还包括日本天体生物学中心堀安範博士、瑞士苏黎士大学理论天体物理与宇宙学中心Ravit Helled教授和博士研究生Simon Müller以及美国莱斯大学物理与天文系Andrea Isella助理教授。