为什么水星有这么大的铁心？

一项新的研究反驳了为什么水星相对于地幔有一个大的核心的普遍假设。几十年来，科学家们一直认为撞击和逃逸的碰撞吹走了水星大部分岩石地幔，留下了巨大、致密的金属核心。但新的研究表明，碰撞不是罪魁祸首，相反，岩石行星核心的密度、质量和铁含量受其与太阳磁场的距离的影响。

　　

马里兰大学的地质学教授William McDonough和日本东北大学的Takashi Yoshizaki建立了一个模型，该模型显示岩石行星内核的密度、质量和铁含量受其与太阳磁场距离的影响。描述该模型的论文于2021年7月2日发表在《地球与行星科学进展》杂志上。

麦克多诺说:“我们太阳系的四颗内行星——水星、金星、地球和火星——是由不同比例的金属和岩石组成的。”“随着行星离太阳越来越远，地核中的金属含量会下降，这是一个梯度。我们的论文解释了这是如何发生的，通过展示在早期形成的太阳系中原材料的分布是由太阳磁场控制的。”

麦克多诺之前开发了一个地球组成的模型，这是行星科学家用来确定系外行星组成的常用模型。(他在这方面的开创性论文被引用超过8000次。)

麦克多诺的新模型显示，在太阳系的早期形成过程中，年轻的太阳被一团旋转的尘埃和气体所包围，铁颗粒被太阳磁场吸引到中心。当行星开始由尘埃和气体团块形成时，离太阳较近的行星在其核心中吸收的铁比离太阳较远的行星多。

研究人员发现，在一颗岩石行星的核心中，铁的密度和比例与行星形成过程中围绕太阳的磁场强度有关。他们的新研究表明，在未来试图描述岩石行星(包括太阳系外的行星)的组成时，应该考虑到磁性因素。

行星核心的组成对于维持生命的可能性非常重要。例如，在地球上，一个熔化的铁芯创造了一个磁层，保护地球免受致癌宇宙射线的伤害。地核还含有地球上的大部分磷，磷是维持碳基生命的重要营养物质。

利用现有的行星形成模型，麦克多诺确定了气体和尘埃在太阳系形成过程中被吸入中心的速度。他将太阳形成时产生的磁场考虑在内，并计算出磁场如何吸引铁穿过尘埃和气体云。

当早期的太阳系开始冷却时，没有被吸入太阳的尘埃和气体开始聚集在一起。离太阳更近的团块会暴露在更强的磁场中，因此比离太阳更远的团块含有更多的铁。当这些团块合并并冷却成旋转的行星时，引力将铁吸进了它们的核心。

当麦克多诺将这个模型纳入到行星形成的计算中，它揭示了金属含量和密度的梯度，这与科学家对太阳系行星的了解完全相符。水星的金属内核约占其质量的四分之三。地球和金星的地核只有其质量的三分之一左右，而最外层的岩石行星火星的地核只有其质量的四分之一左右。

这种对磁性在行星形成过程中所起作用的新认识给系外行星的研究带来了麻烦，因为目前还没有方法从地球上的观测来确定恒星的磁性。科学家根据太阳辐射的光谱推断出一颗系外行星的组成。一颗恒星中不同的元素会发射出不同波长的辐射，所以通过测量这些波长，我们就能知道这颗恒星以及它周围的行星是由什么组成的。

麦克多诺说:“你不能再只是说，‘哦，一颗恒星的组成是这样的，所以它周围的行星一定是这样的。’”“现在你不得不说，‘根据太阳系早期恒星的磁性，每颗行星都或多或少含有铁。’”

这项工作的下一步将是让科学家们找到另一个像我们一样的行星系统——一个由岩石行星组成的、距离中心太阳很远的行星系统。如果这些行星的密度随着它们从太阳向外辐射而下降，就像在我们的太阳系那样，研究人员可以证实这个新理论，并推断磁场影响了行星的形成。

Journal Reference:

1. William F. McDonough, Takashi Yoshizaki. Terrestrial planet compositions controlled by accretion disk magnetic field. Progress in Earth and Planetary Science, 2021; 8 (1) DOI: 10.1186/s40645-021-00429-4