行星形成理论中的撞击剥离机制

行星形成理论中的撞击剥离机制，是指原行星或行星胚胎在生长过程中，因与其他天体发生高速碰撞，导致其部分物质（如大气、地壳或地幔）被剥离的过程。该机制深刻影响行星的最终质量、成分和结构。以下分步讲解：

1. 背景：行星形成的早期阶段
   在恒星形成后，周围的气体和尘埃会形成原行星盘。盘中的尘埃颗粒通过碰撞粘合形成千米级的星子，星子再通过引力相互吸积，形成行星胚胎（如火星大小的天体）。这一阶段常伴随频繁的碰撞事件。

2. 碰撞的能量与类型
   当两个天体以相对速度相遇时，碰撞结果取决于撞击速度与逃逸速度的比值：

   • 低速碰撞（接近相互逃逸速度）：可能导致合并，促进行星生长。
   • 高速碰撞（远超逃逸速度）：部分撞击动能转化为热能和冲击波，使目标天体的表层物质汽化或抛射，造成物质剥离。

3. 剥离过程的具体机制

   • 大气剥离：撞击产生的冲击波传播至行星大气层，使气体分子获得超过逃逸速度的动能。若撞击能量足以克服引力束缚，大气会被部分或完全剥离。
   • 地壳/地幔剥离：对已分化的天体（如具有铁核和硅酸盐地幔的原行星），斜向或高速撞击可能直接抛射表层岩石物质，甚至暴露深层地幔。
   • 部分蒸发：撞击瞬间的高温（可达数万开尔文）可使硅酸盐或金属汽化，形成暂时性熔融池或溅射物云。

4. 影响因素与物理参数

   • 撞击体质量与速度：质量越大、速度越高，剥离效率越显著。
   • 目标天体结构：未分化的多孔天体更易破碎，而已分化的天体可能仅失去外层。
   • 撞击角度：正面撞击能量集中，斜向撞击可能扩大剥离范围。

5. 太阳系中的证据

   • 水星：其巨大铁核与薄地幔可能源于早期巨碰撞剥离了大部分硅酸盐地幔。
   • 月球形成：大碰撞假说认为，原始地球与忒伊亚天体碰撞后，溅射的物质形成月球，同时可能剥离了地球部分原始大气。
   • 火星：其较低的质量与薄大气可能因晚期重轰炸期撞击剥离所致。

6. 理论意义与扩展

   • 行星多样性解释：该机制说明行星最终质量不仅取决于吸积，还受碰撞损耗调控。
   • 系外行星应用：对近距离类地行星，恒星辐射与撞击共同作用可能导致完全大气丧失，形成“贫气行星”。
   • 模拟方法：现代流体动力学模拟（如SPH代码）可量化不同碰撞场景下的物质抛射比例。