行星形成金属核心是需要有条件的,本文将从科学的角度来分析小行星是否有可能拥有像水星、金星、火星和地球一样的金属核心。
事实上,我们的卫星月球,也是一颗拥有金属核心的星球。
小行星是否也有金属核心,我们还是需要先从金属核心产生的条件说起。
(NASA对最大小行星谷神星的内部分析后认为,它没有金属内核)
金属由何而来?
物理学家们认为宇宙中广泛存在的金属,它们基本上都是超新星爆发的产物。我们太阳系中所有的金属,包括你手机的铝壳、圆珠笔的笔尖、我们的车、天上的飞机飞船、海面上十万吨的航空母舰,这些都是太阳系形成前的一次超新星爆发,将更轻的元素挤压在一起形成的。
(超新星爆发造就了金属元素)
太阳系和小行星的形成
45亿年前,我们太阳系所处的这片星云因为某种偶然的扰动(它有可能是附近超新星爆发的引力波影响),星尘开始聚集,中间的尘埃和气体因相互引力慢慢聚集在一起,当它们越聚越多越来越大时,它对周围的引力也越来越大。最后这一团尘埃和气体中心因为强大的重力作用将氢原子挤压在一起发生核聚变,形成了太阳。
在太阳形成的同时,它周围的物质开始旋转,离心运动使它们没有全部被太阳吸引进去。这些旋转的物质形成一个巨大的吸积盘,密度大的物质靠近太阳,密度小的物质被太阳风吹到了外围,这样金属元素和一些相对较重的元素在靠近太阳的区域就相对多一些。
(太阳系形成之初的吸积盘情况)
吸积盘在旋转的过程中,其中的星尘和气体之间会相互碰撞,碰撞产生的电荷会将它们相互吸引,从而聚积在一起,慢慢地从小变大,其中有一些变成直径几千米到几十千米的原行星,另一些依然还是小碎片。根据万有引力定律,质量越大的物体它对周围物体的引力也越大,原行星利用其强大引力不断吞并周围的碎片、尘埃和气体,然后形成了今天的行星。
靠近太阳区域的物质因为更重,所以它们形成了陆地行星,而远离太阳的行星则大多是气态和冰冻星球。
但不是所有的碎片都被行星吞并了,至今仍然还有许多大大小小的星体和碎片因为行星之间复杂的引力关系无法聚集,它们在火星与木星轨道之间的广阔空间里形成了小行星带。
(小行星带和特洛伊带都是受木星引力影响的结果)
行星的金属核心形成
本文开头已经介绍了,近日行星和月球都拥有金属核心,这说明像铁这样的金属元素在太阳系中普遍存在。那么行星的金属核心是如何形成的呢?
在行星形成的过程中,它会不断地吸引周围的碎片和尘埃,这些碎片和尘埃中含有氢、氦、氧、碳、硅、硫等许多元素,还含有许多铁、镍、铝、钠、钾、镁、银、金等金属元素。更重要的是,在最初的太阳星尘中还有大量的放射性元素如铝-26、铁-60、钾-40,钍-232,铀-235和铀-238等,这些放射性元素在衰变的过程中会持续释放热量,当它们聚集在一起并且数量足够多,其释放的热量就非常大,强大的热能会将行星内部的物质熔化,于是星球内部铁、镍和那些更重的金属元素会因重力作用向行星的中心下沉,形成金属核心。而那些相对比较轻的物质会渐渐上浮,构成行星地幔的主要部分。
(行星形成中,重力与放射性热共同作用,导致重金属元素向中心沉积)
科学家们认为地球中心热量的80%以上,都是由地球形成之初强大的内部放射性元素衰变带来的,其它几个岩石星球的情况也大致如此,直到今天,地球内部放射性元素衰变所产生的热量依然是维持其核心温度的主要因素。
小行星的核心
目前已经确认的小行星共有794763颗,其中最大的一颗被称为谷神星。它的直径达到了950千米,科学家们于2006年将其归类为矮行星。
第二大的小行星是Vesta(灶神星),它的平均直径约525千米。
这里有一个有趣的现象:直径525千米的灶神星被探测到拥有一个铁的内核,但比它更大的谷神星的中心却是石头的。为什么会出现这种情况?
(灶神星Vesta拥有一个金属内核)
前面介绍了,行星之所以有金属内核,一个主要的原因是其内部有大量放射性元素释放的热能,加上强大重力的挤压与摩擦作用,它产生的热能足以熔化其内部的金属元素,铁镍等金属因为密度更大而下沉到中心形成金属内核。
之所以更小的灶神星有金属内核,是因为它比谷神星形成的时间更早,它在太阳系诞生之后的100万年左右、在大多数行星生成原行星核的同时就已经形成了。所以在灶神星的内部拥有更多的放射性元素铝-26和铁-60,这两种元素在太阳系形成的早期含量很丰富,但它们的半衰期很短。其后形成的谷神星尽管比灶神星大得多,却因为内部热量不够而无法熔化内核,因为这时候大多数的铝-26和铁-60都已经衰变了。
(小行星带中最大的谷神星没有金属内核)
科学家们认为,除了灶神星外,可能还有其它一些体积更小的小行星也拥有铁镍质的内核。这一方面是因为它们形成的时间比较早,同时因为在太阳系形成的早期铁的分布并不均匀,在更靠近太阳的地方有更多的铁和更高的温度,所以在这个区域形成的小行星更加容易形成金属内核;而那些离太阳更远、越晚形成的小行星,它们拥有金属内核的可能性则要低得多。
(小行星Psyche)
宇宙中总是有例外,比如说小行星带中的Psyche,这颗直径约200公里的小行星几乎就是颗铁球,它的成分与地球核心差不多。科学家们认为它并不是生来就如此,Psyche很可能是一颗行星的内核,那颗火星大小的行星由于某次剧烈的撞击被剥掉了外面的岩石层,只剩下这颗大铁核在太空飘荡。