木星在原太阳盘阴影中的“冷”形成：对行星均匀富集大气的解释

大气成分为行星形成与演化提供了宝贵线索。木星是大气中研究最为充分的气态巨行星；然而，其大气成分的起源仍是一个谜，因为氮和惰性气体与其他元素一样高的丰度只能起源于极冷环境。我们提出一种解释木星大气成分的新思路：H$_2$O 雪线上的尘埃堆积投下阴影并冷却木星轨道，使 N$_2$ 和惰性气体能够冻结。在阴影区形成的星子或核可通过其在包层中的溶解，将氮和惰性气体富集得与其他元素一样多。我们用辐射转移计算计算了阴影原太阳盘的温度结构。然后，我们研究径向挥发性分布，并通过凝聚计算预测木星的大气成分。我们发现，若小尘埃表面密度在 H$_2$O 雪线两侧变化因子 $\gtrsim30$，当前木星轨道附近约 $3$--$7~{\rm AU}$ 可冷至 $30~{\rm K}$。根据先前的晶粒生长模拟，若硅酸盐晶粒比冰晶粒更易碎，弱盘湍流可实现此条件。阴影可导致大多数挥发性物质即 N$_2$ 和 Ar 的凝聚。我们证明，即使原木星形成于木星当前轨道附近，阴影固体的溶解也能解释木星大气的元素丰度模式。盘阴影可能在控制大气成分方面起重要作用。阴影效应也影响对 JWST 即将进行的系外行星大气观测的解释。