【博科园-科学科普】在火星和木星的轨道之间，有一个由岩石、小天体和小行星带构成的圆盘。这条带的存在最早是在18世纪发现的，根据观测结果显示太阳行星的轨道上有规律的模式。到了下个世纪火星和木星之间的空间开始有了常规的发现，这促使天文学家们建立了“一带一路”的理论。
小行星带的概念图。图片：NASA
在很长一段时间里科学家们一直在争论，这条带是一颗破碎的行星的残骸，还是一颗未能成为行星的早期系统遗留下来的残留物。但是来自波尔多大学的两位天文学家的一项新研究提出了不同的看法。根据他们的理论小行星带开始是一个空的空间，逐渐被岩石和碎片填满。
为了他们的研究,最近发表在《科学》杂志上的进步在标题“空原始小行行带”——天文学家肖恩·n·雷蒙德和大学的安德烈Izidoro波尔多认为当前的科学共识，即主带曾经更密集成为质量随着时间的减少。
随着时间的推移小行星带如何充满c型和s型小行星的概念图。图片：Sean Raymond/planetplanet.net
标准的图像是太阳系的构建块——我们称之为“星子”(planetesimals)通常被认为是10 - 100公斤级的物体——在太阳的行星形成的圆盘上以平滑的分布开始。问题是这使地球的质量在小行星带中出现了好几倍，而现在地球的质量只有不到千分之一。因此这幅图所面临的挑战是如何理解“一带一路”如何失去99.9%的质量(但不是100%)。
对此Raymond博士和Izodoro博士考虑了另一种可能性，即原始带开始时是一个空白的空间。根据这一理论没有任何行星——例如谷神星、灶神星、帕拉和海格亚——在火星和木星之间运行，就像今天一样。这开始是一个思想实验，正如雷蒙德博士所说的，起初听起来有点疯狂。
然而他和伊兹多罗博士很快就意识到，其他恒星系统中已经发现了一些原行星盘，就像他们预想的那样。例如在2014年，智利的Atacama大毫米/亚毫米阵列拍摄了一颗行星形成的尘埃和气体盘(又名原行星盘)，在HL Tauri系统中这颗非常年轻的恒星距离金牛座约450光年。
正如下图所示这个圆盘上的尘埃不是光滑的，而是由多个大区域和较低密度区域组成的。对这个磁盘结构的确切解释仍在争论中，但几乎所有的模型都在调用漂移尘埃，Raymond说当漂移的尘埃堆积成足够密的环时，行星就形成了，因此尘埃环应该(我们认为)产生行星环。
用Atacama大毫米波阵列拍摄的HL Tau行星形成圆盘图像。图片：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
为了验证这个假设他们构建了一个早期太阳系的模型，其中包括一个空的主带区域。当他们移动模拟时发现圆盘的形成与岩石行星的形成有关，并将逐渐成为我们今天看到的。
岩石行星的生长并不是100%有效的。在小行星带中一小部分行星的引力被踢向外。俘获物体的轨道与s型小行星的轨道非常接近。种植方式的效率很低，只有1000种。然而回忆一下腰带几乎是空的。在当今的“一带”地带，有大约40万地球质量的地球质量。我们的模拟通常植入了几倍的量。考虑到在太阳系后期的进化过程中，有些行星丢失了，这与“带”中的s型小行星的分布和数量都吻合。
然后他们将这个模型与之前研究的木星和土星的生长情况结合起来，这将如何影响太阳系。在这项研究中展示了c型小行星将会随着时间的推移而沉积在腰带上，这些小行星也将负责将水输送到地球。当他们将植入的c型和s型小行星的分布与目前的工作相结合时，他们发现它与现在的小行星分布相匹配。
有趣的是这并不是Raymond和Izodoro提出的解决小行星带丢失质量的第一个理论。早在2011年雷蒙是这项研究的合著者，他和他的同事们提出，木星在形成后从原来的轨道上迁移。起初这颗行星接近火星的当前轨道，然后回到了今天的位置。
比较两种可能解释小行星带形成的原因。图片版权：Sean Raymond/planetplanet.net
在这一过程中小行星带将被清除，火星将被剥夺质量，从而导致其微小的尺寸——相对于地球和金星。这解决了典型的小行星带形成理论的一个关键问题，被称为“小火星问题”。简而言之之前所有的太阳系行星形成的模拟都倾向于产生比今天更大质量的火星模拟。
然而大头针假说仍然存在理论不确定性，这促使Raymond和Izodoro考虑了空洞的原始带理论。新研究结果为一种替代模式提供了证据，这种模式在小行星带中从未形成。这一新的替代模式的不同部分在近年来得到了发展，我认为它们加起来可以成为一个坚实的替代方案。
展望未来Raymond说他和Izodoro希望进行进一步的研究和模拟，以确定这两种理论是否可以被证实或证伪，那是下一步直到下一个(似乎是)疯狂的主意！
参考：Science Advances,PlanetPlanet
作者：Matt Williams
来自：Universe Today
编译：中子星
审校：博科园
