近日，中国科学院上海天文台与成都理工大学的研究团队在《皇家天文学会月刊·快报》（MNRAS,Letters）上发表了一篇关于内太阳系形成演化的新研究，利用月球的形成限制了太阳系类地行星的质量增生历史，为评估不同的太阳系形成理论提供了新的视角。

亚厘米大小的尘埃（或称为卵石）广泛存在于原行星盘中。经过盘中的流体力学不稳定性，它们可以聚集形成几十到几百公里大小的岩石行星星子（planetesimals）。这些星子可以通过碰撞并合形成原始行星，进而发展成类地行星。这种碰撞增长过程构成了经典的太阳系类地行星形成理论的基础，值得注意的是，地球的生长最终以一次非常剧烈的巨型碰撞结束，这也导致了月球的形成。另一方面，星子也可以通过吸积大量的卵石迅速增长，这一发现引发了行星形成理论的模式转变。新提出的卵石吸积模型允许地球在几个百万年内形成，质量增生由卵石吸积主导。这两种泾渭分明的理论，对地球的物质组成和演化历史有截然不同的预言，但受限于目前少量的观测证据，我们很难区分哪一种理论更合理。

图1. 原始地球（proto-Earth）和Theia在2900组卵石吸积模拟中的演化结果。a. 当原始地球和Theia的初始距离（用Δ表示）小于时，系统迅速变得不稳定，其中67.5%的模拟在1个百万年内发生原始地球和Theia的碰撞（Fast Collision），与月球形成事件定年不符合。如果初始距离（Δ）在到20之间，只有1.5%的系统发生碰撞，碰撞时间在10-200 个百万年内（Delayed Collision），而当Δ>20时，没有碰撞的情况发生。在所有的模拟中，只有4次碰撞的时间与月球形成的预期时间（70-120个百万年）一致。b. 碰撞速度接近两者的逃逸速度，碰撞角度几乎呈均匀分布。

我们利用观测数据最详细的地月系统，对新提出的内太阳系卵石吸积模型做出了重要的限制，基本上排除了这一理论的可行性。月球的形成由于原始地球（Proto-Earth）与一个假想的行星（Theia）之间的一次巨大碰撞。这一事件不仅导致了月球的形成，还对地球的结构和成分产生了影响。在卵石吸积模型中，原始地球与Theia，从雪线（Snow Line）附近形成并迁移到目前位置，只有两者相距较近时（Δ<20）才可能发生碰撞,此处距离以两者间的希尔半径为单位（见图1）。这些碰撞发生在合理的月球形成时间窗口、合理的碰撞角度的概率极低，小于1‰。

另一方面，相近的原始地球和Theia在卵石吸积模型中拥有非常接近的吸积过程、物质成分和质量。即使在合适的时间发生碰撞，两者之间的物质混合会非常彻底（见图2），这与现今地球内部的物质不均一性、地月之间的细微成分差异均存在一定矛盾。因此，卵石吸积模型在解释月球的形成时显得不够合理。研究结果更倾向于支持传统的星子碰撞生长模型，认为内太阳系的行星，包括地球和月球，是通过一系列复杂的碰撞并合过程形成的，卵石吸积不起主导作用。

图2. 两个~0.5倍地球质量的原行星发生大碰撞的模拟。切片图展示了赤道平面附近的物质分布，厚度为现今地球半径 (R_⊕) 的0.2倍。图中颜色表示目标体（原始地球）与撞击体（Theia）之间的物质混合情况，不同颜色对应地核和地幔的物质来源。其中，目标体地幔的上下半部分用蓝色和绿色区分。虚线标示了核-幔边界以及碰撞后目标体的表面，快速旋转导致其扩展至1.6 R_⊕。动画可以通过以下链接下载：

https://drive.google.com/file/d/1DdH59kOv3Y3pc5PQXQnSIInDGfO3jZ64/view?usp=drive_link

近日，Morbidelli，Kleine和Nimmo在EPSL上从同位素，年代学，挥发性成分的缺失等角度间接论证了内太阳系行星形成更可能由“碰撞生长”过程主导，与我们的结论相似。至于太阳系类地行星生长过程中卵石吸积的具体贡献大小，仍需要进一步的研究。无论如何，月球形成大碰撞事件都能对内太阳系动力学演化产生很强的限制，甚至制约太阳系巨行星可能经历的轨道迁移过程。我们的研究为评估太阳系的形成演化模型提供了新的视角。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/mnrasl/slae109

arxiv链接：

http://arxiv.org/abs/2411.14709

科学联系人：

方童： tfang@shao.ac.cn