木星的起源故事：天文学家揭示这颗气态巨行星形成过程的新细节

行星形成理论中最重要的公开问题之一是木星的起源故事。研究人员利用复杂的计算机建模，现在对木星的形成历史有了新的认识。他们的研究结果发表在《天体物理学杂志通讯》杂志上。

当伽利略航天器在1995年释放了一个进入木星大气层的探测器时，除其他外，它表明重元素（比氦重的元素）在那里得到了富集。同时，最近基于朱诺探测器重力场测量的木星结构模型表明，木星的内部不是均匀的，而是有一个复杂的结构。

“由于我们现在知道木星的内部不是完全混合的，我们会期待重元素出现在气态巨行星的内部深处，因为重元素大多是在行星形成的早期阶段被吸积的，”研究的共同作者、苏黎世大学教授和NCCR PlanetS成员Ravit Helled开始解释。“只有在后期，当成长中的行星有足够的质量时，它才能有效地吸引大量的轻元素气体，如氢和氦。”Helled说：“因此，找到一个与预测的内部结构以及测量的大气富集度相一致的木星形成方案，对于我们理解巨行星来说是具有挑战性的，但也是至关重要的。”在迄今为止提出的许多理论中，没有一个能够提供令人满意的答案。

“我们的想法是，木星在其形成的后期阶段通过迁移收集了这些重元素。在这样做的过程中，它将穿过充满所谓的行星碎片--由重元素材料组成的小型行星构件--的区域，并在其大气中积累这些元素。”研究的主要作者Sho Shibata解释说，他是苏黎世大学的一名博士后研究员，也是NCCR PlanetS的成员。

然而，迁移本身并不能保证增加必要的材料。“由于复杂的动力学相互作用，迁移的行星不一定会吸纳其路径上的行星边缘物质。在许多情况下，行星实际上是将它们分散开来--就像牧羊犬分散羊群一样，”Shibata指出。因此，研究小组不得不进行无数次模拟，以确定是否有任何迁移途径导致足够的物质吸积。

“我们发现，如果木星在太阳系外围地区形成--比它现在所在的地方离太阳大约四倍远--然后迁移到它现在的位置，就可以捕获足够数量的微行星。在这种情况下，它穿过一个条件有利于物质吸积的区域--我们称之为吸积最佳点，”Sho报告说。

行星科学的一个新时代

结合伽利略探测器和朱诺号数据所带来的制约因素，研究人员终于提出了一个令人满意的解释：“这表明气态巨行星是多么复杂，以及现实地再现它们的特征是多么困难，”Ravit Helled指出。

“在行星科学中，我们花了很长时间才达到一个阶段，我们终于可以通过更新的理论模型和数值模拟来探索这些细节。这有助于我们弥补我们不仅对木星和我们的太阳系，而且对许多观察到的围绕遥远恒星运行的巨行星的理解上的差距，”Helled总结道。