來自遙遠小行星的微小顆粒為我們了解 46 億年前塑造太陽系外部區域的磁力提供了新的見解。弱磁場可能將物質吸引到內部，從而促成從木星到海王星的外行星的形成。
藝術家構想的新形成行星系統周圍的塵埃和氣體。圖片來源：NASA
麻省理工學院和其他機構的科學家分析了小行星龍宮的粒子，這些粒子由日本宇宙航空研究開發機構 ( JAXA ) 的隼鳥 2 號任務收集並於 2020 年返回地球。研究人員認為，龍宮起源於早期太陽系的邊緣，然後向內遷移到小行星帶，最終在地球和火星之間的軌道上穩定下來。
研究小組對龍宮的粒子進行了分析，以尋找小行星最初形成時可能存在的任何古老磁場的跡象。他們的研究結果表明，如果存在磁場，那它會非常弱。這樣的磁場最多只有 15 微特斯拉左右。（地球自身的磁場今天約為 50 微特斯拉。）
即便如此，科學家估計，如此低級別的場強足以將原始氣體和塵埃聚集在一起，形成外太陽系的小行星，並可能在從木星到海王星的巨行星形成過程中發揮作用。
研究小組的研究結果發表在《AGU 進展》雜誌上，首次表明遠端太陽系可能存在弱磁場。科學家們已經知道，磁場塑造了內太陽系，地球和類地行星就是在那裡形成的。但直到現在，人們還不清楚這種磁場影響是否延伸到更偏遠的地區。
麻省理工學院的科學家分析了小行星龍宮的幾顆粒子之一（圖中黑色部分），發現證據表明，在 46 億多年前，外太陽系可能存在弱磁場，而小行星被認為是在該處首次形成。圖片來源：Elias Mansbach
「我們發現，現在無論我們看向何處，都有某種磁場負責將物質帶到太陽和行星形成的地方，」研究作者、麻省理工學院地球與行星科學系羅伯特·R·施羅克教授本傑明·韋斯說。「這現在也適用於太陽系外的行星。」
該研究的主要作者是 Elias Mansbach PhD 『24，他現在是劍橋大學的博士後。麻省理工學院的合著者包括 Eduardo Lima、Saverio Cambioni 和 Jodie Ream，以及加州理工學院的 Michael Sowell 和 Joseph Kirschvink、哈佛大學的 Roger Fu、清華大學的白雪寧、高知先進海洋核心研究所的 Chisato Anai 和 Atsuko Kobayashi 以及東京工業大學的 Hironori Hidaka。
大約 46 億年前，太陽系由一團稠密的星際氣體和塵埃雲形成，這些氣體和塵埃坍縮成一個旋轉的物質盤。大部分物質被引力吸引到物質盤的中心，形成了太陽。剩餘的部分形成了旋轉的電離氣體太陽星雲。科學家懷疑，新形成的太陽和電離盤之間的相互作用產生了一個穿過星雲的磁場，有助於推動吸積並將物質向內拉，形成行星、小行星和衛星。
曼斯巴赫說：「這個星雲場在太陽系形成後大約 300 到 400 萬年消失，我們對它在早期行星形成中所發揮的作用非常感興趣。」
科學家此前已確定整個內太陽系都存在磁場——該區域從太陽延伸到大約 7 個天文單位 (AU)，一直延伸到今天的木星所在位置。（一個天文單位是太陽和地球之間的距離。）這個內星雲場的強度在 50 到 200 微特斯拉之間，它很可能影響了內類地行星的形成。對早期磁場的這種估計是基於降落在地球上的隕石，據信這些隕石起源於內星雲。
「但這個磁場延伸有多遠，以及它在更遠端區域發揮了什麼作用，仍然不確定，因為沒有太多樣本可以告訴我們有關外太陽系的信息，」曼斯巴赫說。
該團隊有機會利用龍宮分析來自外太陽系的樣本，龍宮是一顆被認為在 7 個天文單位以外的早期外太陽系中形成的小行星，最終被送入地球附近的軌道。2020 年 12 月，JAXA 的隼鳥 2 號任務將這顆小行星的樣本帶回地球，讓科學家們首次看到了早期遠端太陽系的潛在遺迹。
研究人員獲取了幾粒返回的樣本，每粒大小約為一毫米。他們將這些顆粒放入磁力計中——這是 Weiss 實驗室的一款儀器，用於測量樣本磁化的強度和方向。然後他們施加交變磁場，使每個樣本逐漸消磁。
「就像錄音機一樣，我們正在慢慢倒帶樣本的磁記錄，」曼斯巴赫解釋說。「然後我們尋找一致的趨勢，以告訴我們它是否在磁場中形成。」
他們確定樣本中沒有明顯的磁場保留跡象。這表明，要麼是小行星最初形成的外太陽系中沒有星雲場，要麼是磁場太弱，小行星的顆粒中沒有記錄下來。如果是後者，研究小組估計，這種弱磁場的強度不會超過 15 微特斯拉。
研究人員還重新檢查了之前研究過的隕石的數據。他們特別研究了「未分組碳質球粒隕石」——具有在太陽系遠端形成的特徵的隕石。科學家估計這些樣本的年齡不足以在太陽星雲消失前形成。因此，樣本中包含的任何磁場記錄都不會反映星雲場。但曼斯巴赫和他的同事決定仔細觀察。
「我們重新分析了這些樣本的年齡，發現它們比之前認為的更接近太陽系的起源，」曼斯巴赫說。「我們認為這些樣本形成於這個遙遠的外部區域。其中一個樣本確實檢測到了約 5 微特斯拉的正場，這與 15 微特斯拉的上限一致。」
該更新樣本與新的龍宮粒子相結合表明，7 個天文單位以外的外太陽系存在非常弱的磁場，但其強度足以將物質從邊緣拉進來，最終形成從木星到海王星的外行星體。
「當你距離太陽較遠時，弱磁場的影響範圍就會很廣，」韋斯指出。「據預測，那裡的磁場不需要那麼強，而這正是我們所看到的。」
研究團隊計劃利用來自另一顆遙遠小行星貝努的樣本尋找更多遠端星雲場的證據，這些樣本將於 2023 年 9 月由美國宇航局的OSIRIS-REx航天器送回地球。
「貝努看起來很像龍宮，我們正熱切地等待這些樣本的首批結果，」曼斯巴赫說。
編譯自/ScitechDaily
