[论文解读] Solar Twins and Possible Solutions of the Solar and Jupiter Abundance Problems

Åke Nordlund|ArXiv.org|Aug 25, 2009

Astro and Planetary Science参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文提出，太阳相对于太阳相似体的重元素观测亏损以及太阳内部丰度差异，源于太阳系形成期间重元素被锁定在行星中。通过将太阳早期结构建模为非完全对流，并将其与行星形成联系起来，该研究将太阳丰度问题与木星中挥发性元素和惰性气体的异常过量归因于氢的损失，为两个长期存在的天体物理学难题提供了一体化解决方案。

ABSTRACT

Implications of the recently discovered systematic abundance difference between the Sun and two collections of `solar twins' are discussed. The differences can be understood as an imprint on the abundances of the solar convection zone caused by the lock-up of heavy elements in the planets. Such a scenario also leads naturally to possible solutions of two other abundance peculiarities; 1) the discrepancy between photospheric abundances derived from accurate 3-D models of the solar photosphere and the abundance of heavy elements in the solar interior deduced from helioseismology, and 2) the abundance pattern of Jupiter, which can either--with great difficulty--be interpreted as a general and similar overabundance of both common elements such as carbon, nitrogen and sulphur and rare inert gases such as argon, krypton and xenon, or--much more simply--as an under-abundance of hydrogen.

研究动机与目标

• 解决光球层与日震学太阳丰度之间的差异，即所谓的“太阳丰度问题”。
• 解释木星大气中包括碳、氮、硫、氩、氪和氙在内的多种元素的异常过量现象。
• 研究太阳与太阳相似体之间系统性丰度差异是否可归因于行星形成过程。
• 利用湍流恒星形成模型得出的早期太阳真实结构，调和观测到的太阳对流层成分与太阳内部模型之间的矛盾。
• 探讨非同源早期太阳结构对行星成分及太阳系形成的影响。

提出的方法

• 利用高精度光谱学的凝结温度相关性，分析太阳与太阳相似体之间的丰度差异。
• 应用太阳光球层的三维辐射流体动力学模型，推导出精确的光球层丰度。
• 利用日震学数据推断太阳内部真实的重元素丰度，并与光球层值进行对比。
• 整合引力湍流恒星形成模型（Wuchterl & Klessen, 2001）的结果，重建早期太阳结构，表明其并非完全对流。
• 模拟木星原初大气中因重力沉降或光致蒸发导致的氢损失比例，从而解释重元素的表观过量。
• 将推断的被锁住的重元素质量（10–40倍地球质量）与观测到的对流层中重元素的亏损进行比较，以验证该假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳与太阳相似体之间观测到的丰度差异是否可由重元素被行星捕获来解释？
• RQ2 湍流恒星形成模型预测的非完全对流早期太阳结构是否能解决太阳丰度问题？
• RQ3 为何木星大气与太阳相似体在包括挥发性元素和惰性气体在内的化学多样性元素上表现出相关过量？
• RQ4 木星中重元素的表观过量更应归因于富集过程，还是氢的耗竭？
• RQ5 是否存在单一物理机制——氢损失与重元素锁住——可统一解释太阳丰度问题与木星的异常组成？

主要发现

• 太阳与太阳相似体之间观测到的丰度差异与凝结温度密切相关，其随机发生的正式概率约为 ~10⁻⁹，表明具有物理成因。
• 太阳对流层中重元素的质量分数仅为 0.012–0.015（Z_CZ），而日震学表明太阳内部的 Z ≈ 0.017，暗示对流层中约有 10–40 倍地球质量的重元素缺失。
• 太阳对流层中缺失的重元素质量与行星中锁住的重元素质量估计值相当，支持了行星捕获的假设。
• 基于湍流引力不稳定的原恒星核形成的早期太阳形成模型表明，太阳在诞生时并非完全对流，其对流层深度约为半径的 1/3，与观测到的丰度模式一致。
• 木星大气中碳、氮、硫、氩、氪和氙的异常过量并非普遍富集所致，而是氢损失的结果，意味着其初始成分中约有 2/3 的氢已耗竭。
• 同一过程——氢损失与重元素锁住——为太阳丰度问题与木星异常组成提供了统一解释，解决了太阳系天体物理学中两个长期存在的谜题。