[论文解读] Solar System Formation Deduced from Observations of Matter

J. Marvin Herndon|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2004

Astro and Planetary Science参考文献 31被引用 10

一句话总结

本文基於物質組成的熱力學分析，提出類地行星（包括地球）是透過原行星熱氣內核中的液態凝結與重力沉降形成的。研究推斷地球的原行星質量為275–305倍地球質量，與木星質量相近，且太陽氣體與揮發性物質的早期分離發生於年輕恆星的超亮光度階段，與觀測到的系外行星系統一致。

ABSTRACT

Aspects of our Solar System's formation are deduced from observations of the chemical nature of matter. Massive cores are indicative of terrestrial-planet-composition-similarity to enstatite chondrite meteorites, whose highly-reduced state of oxidation may be thermodynamically stable in solar matter only at elevated temperatures and pressures. Consistent with the formation of Earth as envisioned by Arnold Eucken, thermodynamic considerations lead to the deduction that the terrestrial planets formed by liquid-condensation, raining out from the central regions of hot, gaseous protoplanets. The mass of protoplanetary-Earth, estimated to be 275-305mE, is similar to the mass of Jupiter, 318mE. Solar primordial gases and volatile elements were separated from the terrestrial planets early after planet formation, presumably during some super-luminous solar event, perhaps even before Mercury had completely formed. The pre-super-luminosity-terrestrial-planet mass distribution appears to be more consistent with observations of the close-in gas-giants of other planetary systems than the present-day-terrestrial-planet mass distribution. Although primarily formed by raining out from the centers of hot, gaseous protoplanets, evidence for the Earth and, by inference for the other terrestrial planets, suggests some outer, minor, secondary accretion of oxidized matter in the grain-growth accumulation way envisioned by George W. Wetherill. By contrast, the so-called "standard model" for our Solar System's formation has flawed conceptual underpinnings and would lead to the contradiction of terrestrial planets having insufficiently massive cores.

研究动机与目标

• 利用物質的觀測化學與物理性質重新評估類地行星的形成機制。
• 透過識別標準行星形成模型中的概念性缺陷，特別是核心質量被低估的問題，挑戰標準模型。
• 透過原行星環境中的熱力學條件，解釋地球組成的來源，特別是其高度還原狀態。
• 調和類地行星的觀測質量分佈與系外行星系統中熱木星的質量分佈。

提出的方法

• 以顽輝石球粒隕石的化學組成為類地行星構建模塊的代理指標。
• 應用熱力學原理，推斷高度還原、無氧化物的條件僅在高溫高壓下穩定，與內原行星區域一致。
• 將類地行星的形成建模為原行星中心熱氣核心中液態凝結與重力沉降（「降雨」）的結果。
• 估計原行星-地球的質量為275–305倍地球質量，與木星質量相近。
• 提出太陽原始氣體與揮發性物質在年輕太陽的超亮光度階段早期被排出。
• 整合威瑟瑞爾的微粒成長吸積模型，作為外層氧化物質添加的次要機制。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何透過太陽系早期的熱力學條件解釋頑輝石球粒隕石的高度還原狀態？
• RQ2 為何標準模型無法解釋類地行星中足夠大質量的核心？
• RQ3 何種機制能解釋揮發性元素與太陽氣體從類地行星中早期分離？
• RQ4 275–305 M⊕的原地球質量與觀測到的系外行星系統相比如何？
• RQ5 氧化物質的二次吸積在多大程度上貢獻於地球的最終組成？

主要发现

• 原地球的質量為275–305倍地球質量，與木星的318 M⊕相近，顯示其具有巨大的原行星起源。
• 高度還原物質的熱力學穩定性支持其在高溫高密度原行星內核中形成。
• 類地行星很可能源自熱氣原行星中心區域的液態凝結與重力沉降。
• 太陽氣體與揮發性物質的早期排出發生於年輕太陽的超亮光度階段，可能早於水星完全形成。
• 在超亮光度階段之前，類地行星的質量分佈與系外行星系統中熱木星的質量分佈更為一致，而非當前的類地行星質量分佈。
• 氧化物質的二次吸積透過微粒成長累積發生，與威瑟瑞爾模型一致，可解釋外層組成。