由我校物理與天文學院劉尚飛副教授與日本、瑞士、美國及國內的研究人員組成的科研團隊使用超級計算機對木星內部結構形成與演化開展了研究，揭示了木星演化中的重要一環：在大約45億年前木星捕獲并吞噬了一個約十倍地球質量的行星胚胎，巨大的撞擊瓦解了木星的原初致密核。這一新模型完美地解釋了令人費解的木星稀釋核結構的形成機制。該研究成果以“The formation of Jupiter’s diluted core by a giant impact”為題于北京時間8月15日凌晨1點在線發表于著名期刊《自然》（Nature）。
在太陽系的早期，年輕的木星在成長階段引力擾動增強使其軌道附近的一個
行星胚胎與木星發生了碰撞（藝術想象圖）。 [圖片來源：日本天體生物學中心]
美國宇航局的朱諾號（Juno）木星探測器自從2016年7月飛抵木星以來，傳回了大量的新數據，大大加深了人類對這顆太陽系中最大的行星的認識。除了對木星表層及磁場等研究外，朱諾號還對木星引力場進行了精密測量。研究表明木星核的大小遠遠超過了理論預期，接近自身半徑的一半，并且其密度也偏低。“這就是所謂的木星的稀釋核，它說明木星核除了含有巖石和冰等密度大的物質成分外，還混入了大量的低密度的氫和氦，并且木星的核與外層由氫和氦主導的氣體包層間并沒有以前認為存在的明顯的分界線”，劉尚飛說道。
木星的稀釋核結構一度讓研究人員十分困惑，因為行星形成理論認為木星的形成是在一個小而致密的核形成后再從原始太陽星云中吸積了大量的氫和氦從而形成了氣體包層。“木星稀釋核的存在表明有某種機制導致了原初致密核中的物質與氣體包層中的氫和氦發生了混合,并且稀釋核不同尋常的大小很難通過行星內部演化形成，而更像是經過了某種劇烈地過程導致的混合” ，劉尚飛補充說，“正是由于理論與探測器發回的數據之間存在的尖銳矛盾啟發了我們提出大撞擊理論。”
行星間發生碰撞在行星形成過程中是非常普遍的現象。例如我們的月球就是由于一顆火星大小的行星與地球發生碰撞后形成的。有證據表明其他的類地行星以及冰巨星天王星也經歷過碰撞過程。劉尚飛說：“這是人們首次在氣體巨行星上找到發生行星碰撞的直接證據。”利用計算機模擬研究了上萬個太陽系早期的演化模型，劉尚飛副教授與合作者們發現在氣體包層快速增長階段的木星會對周圍正在形成中的行星胚胎產生強大的引力擾動，其后果是有接近一半的概率木星會在接下來的幾百萬年的時間內與另一顆原行星發生碰撞。“因為木星的引力非常強，導致這樣的碰撞過程接近正碰。因此如果另一顆行星的質量接近十倍地球質量就會像子彈一樣穿透木星巨大的氣體包層直接打碎原初的致密核，”劉尚飛說，“我們也模擬了非正碰或者發生碰撞的行星質量較低的情形，結果都不能形成稀釋核。由于碰撞是一個隨機過程，我們有理由相信土星在形成過程中可能也會經歷類似的過程。那么這就提供了一個很好的角度來研究木星和土星內部結構差異的起源。這也是未來我們工作的一個方向。”
具有原初致密核的木星與一個十倍地球質量的行星胚胎發生碰撞，結果導致稀釋核
的產生。圖中的顏色表示物質密度 [圖片來源：劉尚飛]
進一步的長期熱演化模型驗證了這種由碰撞產生的木星內部結構可以穩定存在長達46億年，即太陽系的年齡。因此研究團隊找到了迄今合理解釋木星的稀釋核成因的最佳理論模型（審稿人評價“I find that the manuscript now proposes an explanation that can be considered as the best one available to explain the existence of a diluted core.”）。
“這項研究對于系外行星的研究也有啟發性意義，因為目前我們發現的幾千顆系外行星中，有一部分是既知道質量也知道大小的。那么我們就能推算出系外行星的平均密度。其中有一些系外行星的平均密度很大，有一個可能的解釋就是這些行星經歷了行星撞擊過程，導致其損失了大量的氫和氦”，劉尚飛說。
據悉，我國的太陽系深空探測計劃也包括了在2030年左右對木星系開展深空探測。劉尚飛說：“我希望到時候可以用上中國的探測器的數據來研究木星的形成與演化。”
我校物理與天文學院劉尚飛副教授是該論文第一作者與通訊作者，中山大學是第一署名單位。參加該項研究的科研人員還包括，日本天體生物學中心堀安範博士、瑞士蘇黎士大學理論天體物理與宇宙學中心Ravit Helled教授和博士研究生Simon Müller、清華大學天文系鄭曉晨博士、美國藝術與科學學院院士加州大學圣塔克魯茲分校天文與天體物理系林潮教授，以及美國萊斯大學物理與天文系Andrea Isella助理教授。
行星科學是我校物理與天文學院的重點發展方向，通過積極引進海內外優秀人才，已經形成了一支包含6名專任教師在內的10多人的科研團隊，不斷取得具有國際顯示度的科研成果，本次劉尚飛副教授在國際頂級刊物上發表論文，標志著我校在行星科學研究領域取得了突破性進展。
