太阳系早期的短寿命放射性核素-天体化学和行星科学简介-紫金山.DOC

太阳系早期的短寿期放射性核素 ---- 从天体化学角度看太阳系的起源和演化 徐伟彪 （中国科学院紫金山天文台 南京 210008） 摘要 天体化学实验发现太阳系早期存在大量的短寿期放射性核素（半衰期小于100 Ma）。这些核素对太阳系的形成和演化有重要的影响。一种理论认为，这些核素是在恒星内部合成，并由星风注入原太阳分子云，星风产生的激波诱发分子云核的塌缩而形成原太阳。另一种理论认为，这些核素是高能粒子与原太阳分子云或太阳星云中的气体和尘埃相互作用的产物。本文较详细地介绍了全新的太阳系起源理论 – X- wind 模式。 关键词：天体化学，短寿期放射性核素，恒星核合成，高能粒子辐射，太阳系起源 引言 短寿期放射性核素 (short-lived radionuclides) 是指半衰期在100 Ma以内的放射性同位素。像26Al（半衰期T1/2 = 0.7 Ma）和41Ca （T1/2 = 0.1 Ma）。由于其半衰期相对于太阳系的年龄（45.6亿年）来说很短，这些核素在太阳系漫长的演化过程中早已衰变完毕，现已不复存在。所以这些核素又称为灭绝核素（extinct radionuclides）。 但是有很多证据表明，太阳系早期存在大量的短寿期放射性核素。这些证据大多保留在原始的球粒陨石中。 因为陨石的母体（小行星）体积较小（小于几百公里），自形成以来没有发生剧烈的地质变化，较完整地保存了太阳系早期的演化历史。 对陨石中的短寿期放射性核素的研究，可以为我们提供如下的重要信息：（1）太阳原始分子云 (molecular clouds) 的物质来源及塌缩机制；（2）太阳系早期发生的物理化学事件，如：双极喷流（bipolar jets）和猎户FU型星爆发（FU Orionis outbursts）；（3）原太阳吸积盘 (accretion disk) 的演化历史；（4）行星系统的形成和演化；（5）恒星内部的核反应机制（stellar nucleosynthesis）；（6）太阳系早期高能粒子辐射过程（energetic particle interactions）。 总之，短寿期放射性核素与太阳系的形成和演化有着密切的关系，是研究太阳系起源的一个重要工具[1-3]。 太阳系的起源 太阳作为一颗恒星，其形成过程与一般恒星的成因机制有很多相似之处。 现代天文学理论和观测表明，恒星的形成经历了几个不同的阶段[4,5]。 恒星起源于寒冷（开尔文温标10 度）致密（100 – 1000个分子/cm3）的分子云。 分子云包含的质量约为105~106个太阳质量（M⊙），其大小约为几十秒差距（1 秒差距 = 3.26 光年 = 3.09×1011 公里）。 分子云中绝大部分是氢分子，少量为CO和其他有机分子和尘埃。 分子云是银河系中质量最大但温度最低的天体。大尺度的分子云受到高能事件（energetic events）的作用发生破碎而形成分子云复合体（molecular cloud complex）。这些高能事件是与O星和B星的形成有关。分子云内部的结构很复杂，局部地区的密度会高出平均密度的十倍以上，这就是天文学上所谓的分子云核（cores），它是恒星的发源地。分子云核由于万有引力吸积周边的物质，其质量不断增大，内部温度也随着增高。 向内的吸引力和向外的热膨胀力相抵而使分子云核处于亚稳定状况。 当分子云核的质量超过一定界限，或者其磁场双极扩散（ambipolar diffusion of magnetic field lines），或者受到星际空间中的激波（shock wave）的干扰， 向外的支撑力不能抵御向内的重力引力，分子云核就发生塌缩。 物质以近于自由落体的方式（free fall）掉向中心，并由内向外传播。中心的密度不断提高，温度也随着急剧上升，热膨胀力逐渐增大并能抵御塌缩，形成一个处于流体静力学平衡（hydrostatic equilibrium）的高温高密度的核心 — 原恒星。 在没有激波干扰的情况下，分子云从形成到塌缩大约需经历 1 到 10 Ma。 分子云核一旦塌缩，整个过程只持续10万年左右。 原恒星在形成初期, 被包裹在厚厚的星云包层（envelope）内, 光学上还观测不到的。 处于这个阶段的原恒星会伴随一些特殊的物理现象, 比如, 双极喷流。 原恒星向两个相反的方向喷射出超音速的分子气流, 形成一个奇特的天体 – HH 天体 （Herbig-Haro objects）。 由于星云包层中的物质具有角动量, 它们并不是直接被吸引到原恒星中去, 而是先沉降到围绕原恒星旋转的吸积盘上, 然后再通过盘面的吸积逐渐进入原恒星。 这是一个渐进的过程，随着星云包层的扩散，吸积盘不断成长发育，而进入金牛座T型星阶段（T Tauri st