
图1:NC(红色)和 CC(蓝色)陨石族群在 Ti 和 Cr 同位素组成上的二分性。

图2:早期木星形成模型无法解释 NC-CC 二分性的示意图。

图3:扩张盘模型可以同时解释 NC-CC 二分性和类地行星组成的示意图。
陨石在非碳质(NC)和碳质(CC)两大族群之间呈现同位素组成二分性,说明太阳原行星盘中的星子形成发生在两个彼此分离的物质库中(见图1)。这种二分性虽然只有约 10^-4 量级的微小同位素差异,却存在于凝结温度不同的多种元素中,也同时出现在分异陨石和原始陨石族群中。
传统观点认为,快速形成的木星在两个物质库之间充当了屏障。我们的研究指出,这一模型存在根本矛盾(图2):如果木星能够有效阻挡向内漂移的卵石,那么内侧 NC 物质库会在几十万年内因径向漂移而被耗尽;如果木星允许物质通过,那么两个物质库又会发生混合。流体动力学模型表明,木星打开的间隙只能阻挡一部分漂移尘埃,因此很难单独解释这种二分性。
相反,我们提出:由于原行星盘的黏滞扩张,CC 卵石进入内盘的时间会被推迟数百万年,这一机制称为扩张盘模型。盘的角动量通过黏滞扩散向外输运,使内盘气体向内扩散,而外盘气体向外扩张;整个过程中盘的总角动量保持守恒。因此,外盘中的固体颗粒会先随气体向外运动数百万年,随后与气体逐渐解耦,并最终向内漂移到小行星带内侧和类地行星形成区域(图3)。
我们的结果支持这样一种图景:木星形成于较外侧的太阳原行星盘(大于 10 个天文单位),并允许相当数量的 CC 物质穿过其轨道,最终被类地行星吸积。年轻太阳气体盘的扩张模型能够更好地解释陨石和行星的形成过程及其同位素组成。详见 Liu, Johansen, Lambrechts, Bizzarro, Haugbolle, 2022, Science Advances [ADS] [arxiv].