古老小行星揭開46億年前太陽系磁場之謎

科學家們透過分析來自遙遠小行星「龍宮」的微小顆粒，揭示了46億年前塑造太陽系外圍區域的磁力新見解。這項研究由麻省理工學院（MIT）及其他機構的科學家共同進行，他們分析了日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）的「隼鳥2號」任務從龍宮小行星採集並於2020年帶回地球的樣本。

研究團隊認為，龍宮小行星最初形成於早期太陽系的外圍區域，隨後向內遷移至小行星帶，最終在地球與火星之間的軌道上穩定下來。科學家們分析了這些顆粒，尋找小行星最初形成時可能存在的古老磁場跡象。結果顯示，如果當時存在磁場，其強度可能非常微弱，最多約為15微特斯拉（地球目前的磁場強度約為50微特斯拉）。

即便如此，科學家們估計，這種低強度的磁場足以將原始氣體和塵埃聚集在一起，形成太陽系外圍的小行星，並可能在木星到海王星等巨行星的形成過程中發揮作用。這項研究首次表明，太陽系外圍區域可能曾存在一個微弱的磁場。

研究的主要作者、現任劍橋大學博士後研究員的Elias Mansbach表示：「我們現在看到，無論我們觀察哪裡，都有某種磁場負責將物質帶到太陽和行星形成的地方。這現在也適用於外太陽系的行星。」

約46億年前，太陽系從一團密集的星際氣體和塵埃雲中形成，這些物質坍縮成一個旋轉的物質盤。大部分物質向盤的中心聚集形成太陽，其餘的則形成了一個由旋轉的電離氣體組成的太陽星雲。科學家們懷疑，新形成的太陽與電離盤之間的相互作用產生了一個貫穿星雲的磁場，幫助驅動物質聚集並向內拉動，形成行星、小行星和衛星。

Mansbach補充道：「這個星雲磁場在太陽系形成後約3到4百萬年消失，我們對它在早期行星形成中的作用感到著迷。」

科學家們先前已經確定，內太陽系（從太陽到大約7個天文單位，即木星所在的位置）存在一個磁場，其強度約在50到200微特斯拉之間，並可能影響了內側類地行星的形成。這些早期磁場的估計基於落在地球上的隕石，這些隕石被認為起源於內星雲。

然而，這個磁場延伸到多遠，以及它在更遠的區域中扮演了什麼角色，仍然不確定。Mansbach解釋道：「因為沒有太多樣本可以告訴我們關於外太陽系的資訊。」

研究團隊透過分析龍宮小行星的樣本，獲得了研究外太陽系的機會。龍宮小行星被認為形成於早期外太陽系，距離太陽超過7個天文單位，最終被帶入靠近地球的軌道。2020年12月，JAXA的「隼鳥2號」任務將小行星樣本帶回地球，讓科學家們首次有機會研究早期外太陽系的潛在遺跡。

研究人員獲取了幾顆約一毫米大小的樣本顆粒，並將它們放入磁力計中，這是一種在Weiss實驗室中用於測量樣本磁化強度和方向的儀器。他們隨後施加了一個交變磁場，逐步對每個樣本進行退磁。Mansbach解釋道：「就像錄音機一樣，我們正在慢慢倒回樣本的磁記錄，然後尋找一致的趨勢，告訴我們它是否在磁場中形成。」

他們確定，這些樣本中沒有明顯的保留磁場跡象。這表明，要麼在小行星最初形成的外太陽系區域不存在星雲磁場，要麼磁場太弱，以至於沒有被記錄在小行星的顆粒中。如果是後者，團隊估計這種弱磁場的強度不會超過15微特斯拉。

研究人員還重新審視了先前研究過的隕石資料。他們特別關注了未分組的碳質球粒隕石——這些隕石具有形成於外太陽系區域的特徵。科學家們曾估計這些樣本不夠古老，無法在太陽星雲消失之前形成。因此，這些樣本中包含的任何磁場記錄都不會反映星雲磁場。但Mansbach和他的同事們決定進一步研究。

Mansbach表示：「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開始。我們認為這些樣本形成於這個遙遠的外圍區域。其中一個樣本實際上檢測到了約5微特斯拉的正磁場，這與15微特斯拉的上限一致。」

這個更新的樣本，加上新的龍宮顆粒，表明外太陽系（超過7個天文單位）曾存在一個非常微弱的磁場，但它仍然足夠強大，能夠將物質從外圍拉入，最終形成從木星到海王星的外行星。

Weiss指出：「當你離太陽更遠時，一個弱磁場就能發揮很大作用。預測認為，在那裡不需要太強的磁場，而我們看到的正是如此。」

研究團隊計劃透過分析另一個遙遠小行星「貝努」的樣本，尋找更多關於外圍星雲磁場的證據。這些樣本由NASA的「OSIRIS-REx」太空船於2023年9月帶回地球。Mansbach表示：「貝努看起來很像龍宮，我們正熱切期待這些樣本的首次結果。」

這項研究部分由NASA支援，相關成果已發表於《AGU Advances》期刊。