[论文解读] Chemical Complementarity between the Gas Phase of the Interstellar Medium and the Rocky Material of Our Planetary System

Haiyang Wang, Charles H. Lineweaver|arXiv (Cornell University)|May 17, 2016

Astro and Planetary Science参考文献 18被引用 5

一句话总结

本文展示了星际介质（ISM）气相中的元素耗竭与太阳系类地行星物质中元素丰度之间存在高度的化学互补性。通过对比ISM气体中的耗竭与地球和碳质球粒陨石中的耗竭，作者表明在ISM气体中耗竭的元素在行星固体中得到富集，支持一种继承模型：原始星际尘埃颗粒与星云中凝结的物质结合，形成了类地行星的构建模块。

ABSTRACT

We compare the elemental depletions in the gas phase of the interstellar medium (ISM) with the elemental depletions in the rocky material of our Solar System. Our analysis finds a high degree of chemical complementarity: elements depleted in the gas phase of the ISM are enriched in the rocky material of our Solar System, and vice versa. This chemical complementarity reveals the generic connections between interstellar dust and rocky planetary material. We use an inheritance model to explain the formation of primordial grains in the solar nebula. The primary dust grains inherited from the ISM, in combination with the secondary ones condensed from the solar nebula, constitute the primordial rocky material of our planetary system, from which terrestrial planets are formed through the effects of the progressive accretion and sublimation. The semi-major-axis-dependence of the chemical composition of rocky planetary material is also observed by comparing elemental depletions in the Earth, CI chondrites and other types of carbonaceous chondrites.

研究动机与目标

• 研究星际介质（ISM）气相中的元素耗竭与太阳系类地行星物质中元素耗竭之间的化学关系。
• 确定在ISM气体中耗竭的元素是否在行星固体中相应富集，以表明星际尘埃与行星构建模块之间存在化学联系。
• 探讨这种互补性对太阳星云中原始类地物质起源的启示。
• 利用地球和各类球粒陨石的数据，研究类地物质中元素组成与半长轴的关系。

提出的方法

• 作者比较了星际介质（ISM）气相中的元素耗竭模式与太阳系类地物质（包括地球和各类球粒陨石）中的耗竭模式。
• 他们使用了通过遥远恒星的吸收线光谱学获得的ISM元素耗竭的已发表观测数据。
• 他们分析了陨石中的元素丰度，特别是CI球粒陨石和其他碳质球粒陨石，这些代表了原始的太阳系物质。
• 该研究应用了继承模型，即原始星际尘埃颗粒被吸收到太阳星云中，并与星云中通过凝结形成的次生颗粒结合。
• 作者通过比较具有不同轨道起源的各类球粒陨石组的耗竭情况，评估了成分的半长轴依赖性。
• 他们使用统计分析量化了ISM气体与行星固体之间化学互补的程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在ISM气相中耗竭的元素在太阳系类地行星物质中富集的程度如何？
• RQ2 ISM气体与行星固体之间的化学互补性在多大程度上支持了星际尘埃在行星形成中被继承的观点？
• RQ3 原始星际尘埃颗粒与次生星云凝结颗粒在形成类地行星原始类地物质中分别起什么作用？
• RQ4 类地行星物质的元素组成如何随轨道距离变化，这由球粒陨石组的差异所指示？
• RQ5 所观察到的互补性对太阳星云中原始颗粒形成机制意味着什么？

主要发现

• ISM气相与类地行星物质之间存在高度的化学互补性：在ISM气体中耗竭的元素在地球和球粒陨石中得到富集。
• ISM中的元素耗竭与太阳系类地物质中的耗竭呈负相关，表明星际介质中的尘埃形成与行星吸积是化学上关联的过程。
• 该研究支持一种继承模型，即太阳星云中的原始颗粒起源于星际尘埃，随后由星云气体中凝结的颗粒所补充。
• 类地行星物质的成分表现出半长轴依赖性，CI球粒陨石（代表内太阳系物质）的耗竭模式与其他碳质球粒陨石不同。
• 所观察到的互补性表明，类地行星的构建模块是通过星际尘埃的吸积以及随后在太阳星云中的凝结形成的。
• 结果表明星际尘埃与类地行星物质之间存在普遍联系，太阳系的类地行星是由继承的ISM颗粒与新形成的星云物质混合而成的。