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為何水星是顆硬橘子,而不是軟桃子?

2013/05/17 | | 標籤:

我們太陽系最內側的行星—水星,其內部結構類似橘子,龐大的鐵核如同橘子果肉部分佔了橘子的絕大部分體積,而地函和地殼僅如橘子皮般薄薄一層。這個現象讓天文學家疑惑了數十年,因為根據傳統行星形成理論,水星不太可能會產生比例這麼大的核心。相較之下,地球和其他類地行星的內部結構,如一顆桃子般,讓平均密度因而低了一些。

天文學家推測水星之所以會是橘子狀結構,可能是因為曾遭受巨大撞擊而使得矽酸鹽地函被剝離,也或許是因為它的外層因遭受太陽強烈炙烤而被蒸發消失。但過去幾年的信使號太空船(Messenger)探測結果發現水星地殼含有像鉀這樣的揮發性元素;如果它曾被劇烈撞擊或被太陽炙烤而蒸發,那麼根據行星形成理論來說,不太可能存有這些揮發性元素。

其實不只水星,天文學家近來觀測系外行星的結果顯示水星這種橘子結構並非獨一無二,另有兩顆已知密度的小型系外行星—Kepler-10b和Corot-7b,其密度都比預期的還大很多,顯示它們應該和水星一樣屬於有個超大金屬核心的橘子狀結構,而且也和水星一樣很靠近它們的母恆星。現在,有個新理論可以一次滿足所有條件,解釋這些怪咖的異狀。兇手,就是陽光或星光帶來的熱。

當氣體分子碰撞到一顆高溫塵粒時,會將塵粒的熱帶走一部份,並以比碰撞前還快的速度離開。這個過程讓塵粒被推動了一下。德國杜伊斯堡艾深大學(University of Duisburg-Essen)Gerard Wurm等人計算這個所謂的「光致漂移力(photophoretic force,或稱光泳力)」會如何影響旋繞恆星運動的塵粒。

Wurm等人根據計算結果發現:金屬塵粒由於會傳導熱能,讓整個塵粒的溫度保持一致,受到來自各個方向的推擠之後,並不會被推到遠離恆星的地方。但是那些密度小一些的矽酸鹽塵粒因會隔熱,面對太陽或恆星的那面會被加熱而另一面的溫度卻沒提升,使得受到氣體分子推擠時,熱的那一面會被推得比冷的那一面多,長期下來將使得原始太陽系中的塵粒被分類,金屬塵粒留在靠近恆星或太陽的地方,密度較小的塵粒則被推到較遠之處。從這些塵粒中誕生的行星的組成成分和結構因而有所差異。如此一來,便可解釋為何像水星、Kepler-10b和Corot-7b的內行星密度會如此之大,離中央恆星愈遠的行星,金屬比例就會愈少。

光致漂移(photophoresis)並不是多新的點子。在約一世紀以前,利用真空室(vacuum chamber)進行研究的物理學家就不停地擔心光致漂移可能產生的影響,因為當時抽真空的幫浦效力不佳,而光致漂移力又只會出現在僅殘存非常少氣體的不完美真空狀態下。後來幫浦設計漸趨改善,物理學家終於能將光致漂移力這回事通通拋開,不必再考慮要將之計算到實驗結果中。光致漂移這個概念消失了約100年之久。

華盛頓卡內基研究所(Carnegie Instition of Washington)Larry Nittler指出:他很欣賞用光致漂移來解釋水星謎題的這個點子,但Wurm等人的理論並不具決定性,沒辦法完全剔除地函剝離的解釋方式。Nittler建議Wurm等人還得再接再厲,將太陽系形成過程帶入光致漂移效應,並將模擬所預測的組成成分,和信使號實際測量結果加以比較。

Wurm等人則計畫來場天然的模擬,不是透過電腦,而是在真實世界進行。他希望能在德國柏林一座110米高的高樓頂端扔下一個內含金屬和灰塵的密封容器,以模擬太空無重力狀態;然後用紅外雷射掃射這個向下掉落的容器,最後再檢視容器中的塵埃和金屬是否有如預期般的分離。如果為真,那麼到時就能大聲說:喔~耶!橘子對桃子,1比0!

相關論文可參考 arxiv.org/abs/1305.0689。

資料來源:Why Mercury is a hard orange, not a soft peach[2013.05.13]

轉載自網路天文館

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