木星内部稀释核结构与太阳系早期木星与行星胚胎并合之关系

The Juno spacecraft has measured Jupiter’s gravitational field to an unprecedented precision. These data suggest that Jupiter could have a diluted (low mean-density) core over 40% of its radius, posing a challenge to the conventional Jupiter formation model based on the assumption of runaway gas accretion onto a heavy-element core. While Jupiter’s original rocky/metallic core could have been subsequently eroded by its surrounding convective gaseous envelope, it is unlikely for most of its mass to have diffused over such an extended region. Our preliminary study shows that sufficiently energetic collisions between additional planetary embryos and the newly emerged Jupiter can shatter its original solid core and mix the heavy elements with the outer envelope. This leads to an internal structure consistent with the diluted core scenario. Under the influence of Jupiter's gravity, nearby planet embryos could have collided with Jupiter. We propose to study whether collisions are responsible for the dilute core structure. We plan to statistically investigate the collision probability with N-body simulations and study the consequences of collisions with 3D hydrodynamic simulations as well as modeling the long-term evolution after the impact. In particular, whether a dilute core structure after an impact can be preserved during the past 4.56 Gyr.

根据“朱诺“探测器对木星的引力场进行的超高精密测量得到的数据，最新的木星内部结构模型显示木星内部可能存在一个占据超过自身半径40%的低密度稀释核心。这一结果挑战了传统的基于行星核快速吸积气体的木星形成模型。尽管木星核中的金属在漫长的演化过程中可能会受对流的影响与氢和氦发生混合，但是这样的过程很难形成巨大的稀释核结构。在初步研究中，我们发现如果刚形成的木星与一个较大的行星胚胎发生正碰可以破坏木星原初的致密核，形成一个巨大的低密度核区。考虑到在木星形成时，原行星盘中仍有很多行星胚胎，它们在木星强大的引力扰动下存在与木星发生碰撞的可能性。本项目将探讨行星的碰撞与木星的稀释核之间关系。我们将使用N体数值模拟的方法从统计学的角度研究木星与行星胚胎发生碰撞的概率，运用三维流体力学模拟的方法研究具体的碰撞对木星核的影响，再结合行星内部结构演化的模型研究碰撞形成的低密度核区如何演化成稀释核结构。

近期美国宇航局的“朱诺”号木星探测器获得了木星的引力场数据，分析表明木星核可能是一个由金属和大量氢氦构成的稀释核，并且稀释核的大小接近木星半径的一半。传统的核吸积理论认为木星核在达到约十个地球质量后以失控吸积气体方式成长为木星，并且在此阶段从原行星盘中吸积的固体物质不足以形成木星内部的金属丰度梯度。而木星金属核被气体包层侵蚀的过程也很难解释如此巨大的稀释核。因此，如何理解木星的巨大稀释核的形成是对气态巨行星形成理论的重大挑战。本项目要研究木星受到行星胚胎的碰撞与木星稀释核起源的关系的新观点。通过综合使用了引力N体和流体力学方法和行星内部结构长期热演化模型，项目负责人构建了一个时间跨度长达46亿年的木星演化模型，较好的解释了木星稀释核的起源与太阳系早期木星与行星胚胎发生碰撞假说之间的关系。这项研究工作的进展较为顺利，在项目执行前就已经顺利完成并发表。..项目负责人基于类似的动力学研究方法，分别拓展研究了白矮星周行星碎片盘的形成和星际小天体奥陌陌的起源问题。数据表明有相当数量的白矮星正以一定的的吸积率吸积耐熔质物质。其中有37颗白矮星拥有尘埃盘。这种出现率不仅需要白矮星系统中仍有足够多的耐熔质物质，还需要有效的输送机制。例如Chen等人提出利用木星质量的巨行星的扰动，可以把位于小行星带的耐熔质物质输送到白矮星附近。本项目研究了将更远处的行星系统的彗星物质等输送到白矮星周的机制，研究表明利用白矮星的强磁场环境，被散射进入的行星物质在潮汐撕裂后会快速发生轨道圆化，进而形成白矮星周的碎片盘，最终导致白矮星大气的金属污染。.星际小天体“奥陌陌”展现出了不同寻常的光变和颜色特征，其类似小行星的观测特点又与其在太阳系内轨道表现出的非引力效应相矛盾。这一系列突出的现象导致一种认为其可能是一种“光帆”的观点的产生。本项目中使用了数值模拟和观测进行对比的方式，验证多种奥陌陌形态所产生的可观测效应，并推断其起源仍是自然产生。并且对于未来的星际小天体巡天的分类进行了探索。

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