火星异常低质量的理论解释

论文摘要

太阳系的起源是现代科学的基本问题之一,是从宇宙起源到生命起源这一认知过程中关键的一环。此外,现在人们已经观测到500多个太阳系外行星,对太阳系起源的深入研究能帮助我们理解这些系外行星系统的起源。最早的解释太阳系起源的系统理论是由拉普拉斯提出的星云理论。尽管这一理论在解释行星轨道共面性等方面取得了巨大的成功,但也有其自身的困难。自从20世纪后期以来,对太阳系起源的研究取得了重大的进展。现在被人们广为接受的解释太阳系起源的理论是现代太阳星云理论。根据这一理论,太阳星云是围绕在原太阳周围的气体盘,行星被认为是在这个气体盘中形成的。星云中小尺度的固体物质经过一系列复杂的过程形成大尺度的固体。如果这些固体在形成过程中的某一阶段质量足够大,其将吸积周围星云的气体,最终形成巨行星。质量较小的则最终形成类地行星。尽管太阳星云理论为理解太阳系的起源提供了一个整体的框架,但是要完全理解太阳系的起源仍然有许多工作要做。根据现在太阳系的观测,火星的质量只有地球的十分之一,若排除距离太阳最近的水星和距离太阳最远的冥王星,这一质量远小于其它行星的质量。关于火星的这一异常低质量问题至今还没有一个广泛接受的理论能够解释。本文对这一问题进行了研究,并给出了一个自然合理的解决办法。在20世纪70年代,人们根据目前太阳系中行星的元素组成反推得到一最小质量的太阳星云。星云的面密度与半径之间的关系近似为∑∝R-3/2。用这一模型解释火星的异常低质量,需要假定存在其它的物理过程将质量从火星区优先地移走。一种观点认为来自木星区的星子受到扰动会进入偏心率大的轨道,它们会通过火星和小行星区,并与那里已经形成的星子发生碰撞。在火星和小行星区这种碰撞是非常剧烈的,因此这里的物质会有很大的损耗,进而造成了火星的异常低质量。另外,利用多体模拟研究类地行星形成过程的结果显示火星是一个没有经过碰撞的剩余的原行星。这些模拟初始时所假定的原行星面密度分布同样是基于单调的星云结构模型。而单调的面密度分布不能自然符合现有的行星质量分布。为了解决火星的异常低质量问题,我们利用新的星云演变模型研究了太阳星云的演变问题。我们的星云演变模型给出的面密度分布是非单调的,在火星区存在极小值,这与传统的星云模型（如最小质量的太阳星云模型）单调的面密度分布是有本质差别的。我们这里的非单调面密度分布自然地符合现有行星质量的分布。星云面密度分布极小值的出现,是由于在我们的星云模型中采用了目前广为接受的非均匀的粘滞机制。根据现在星云中粘滞机制的研究结果,由磁转动不稳（MR[）引起的磁流体动力学（MHD）湍流是星云中角动量输运的主要机制之一。我们考虑了由MRI引起的非均匀粘滞（在空间和时间均变化）。这一机制基于磁场与星云中物质的相互作用,这就意味着只有星云中的物质有一定程度的电离时,这种机制才能起作用。跟据MRI能否在星云中起作用,可将星云沿径向分为不同的区。在半径小的区域为星云的内区,这里的温度足够高,可以诱发物质的热电离,MRI能够发生,因此粘滞高。在星云大半径处是星云的外区,这里温度低以至于物质不能热电离,但这里的面密度足够低,宇宙射线能够穿透星云诱使物质电离,MRI能够发生,因此粘滞高。在星云内区和外区之间是中间区,这里的温度既没有高到可以诱发热电离,面密度也没有低到可以使宇宙射线电离物质,这一区域大部分MRI不能存在,因此粘滞低,只有表面可以被宇宙射线穿透,维持高粘滞。此外,由于内区和中间区粘滞的不同,在星云演变的过程中将出现热不稳定现象。我们的星云模型的数值计算结果显示,星云在演变的过程中,存在面密度的极小值。极小值包括持续的极小值（sustained minimum,简称SM）,还有一个临时的极小值（temporary minimum,简称TM）。TM位于星云内区和中间区的交界处,它的出现是由于内区和中间区的粘滞不同造成的。在星云的内区,由于MRI能够发生,粘滞高,吸积率大,而在中间区,粘滞低,吸积率低。因此会造成内区和中间区交界处物质快速的消耗,进而形成一面密度极小值,即TM。在星云的演变过程中,TM在火星区附近做往复运动,我们指出这是由于星云中存在热不稳定性造成的。随着TM的往复运动,其不断地消耗这一区域内的物质,进而在火星区附近形成了一个拥有SM的低面密度区域。通过结合标准的类地行星形成模型,我们从三个方面讨论了面密度的极小值（包括SM和TM）对火星质量的影响。首先,火星区低的面密度导致低的质量供给,限制了火星区质量的来源。其次,低的面密度导致星子形成的速率低,进而导致火星区低的星子面密度。最后,低的面密度使得这一区域的原行星在无序生长阶段不容易获得质量,即容易成为一个剩余的原行星。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 太阳系的结构
• 1.2 太阳系起源理论
• 1.2.1 拉普拉斯星云理论
• 1.2.2 现代太阳星云理论
• 1.3 本文的主要内容和结构
• 第2章 已有火星异常低质量的理论解释
• 2.1 最小质量的太阳星云模型
• 2.2 类地行星形成过程中无序生长阶段的多体模拟
• 2.3 本章小结
• 第3章 考虑非均匀粘滞的太阳星云模型
• 3.1 恒星形成过程的物理图像
• 3.1.1 分子云核的结构
• 3.1.2 等温球的引力坍缩
• 3.2 考虑非均匀粘滞的太阳星云模型
• 3.2.1 太阳星云的粘滞演变方程
• 3.2.2 吸积盘粘滞的α参数模型
• 3.2.3 温度的计算
• 3.2.4 采用的初始条件和边界条件
• 3.3 采用的非均匀粘滞机制
• 3.4 热不稳定性
• 3.5 本章小结
• 第4章 数值计算结果
• 4.1 标准参数值的情形
• crit取非标准参数值的情形'>4.2 T_crit取非标准参数值的情形
• hydro取非标准参数值的情形'>4.3 α_hydro取非标准参数值的情形
• ir的情形'>4.4 不考虑T_ir的情形
• 4.5 均匀α的情形
• 4.6 本章小结
• 第5章 火星异常低质量新的理论解释
• 5.1 火星区低的面密度导致低的质量供给
• 5.2 火星区低的面密度导致低的星子形成速率
• 5.3 火星区低的面密度使得火星倾向于是一个剩余的原行星
• 5.4 一些其他的讨论
• 5.5 本章小结
• 第6章 本文总结
• 参考文献
• 发表论文情况
• 致谢