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太阳系:最奇怪的行星系统

环球科学2016年08月16日10:00

[摘要]新的证据表明,早期太阳系充斥着四处游荡的行星,它们磕磕碰碰,行星解体时有发生。

太阳系:最奇怪的行星系统

Kepler-20e 的公转周期仅有6 天,“开普勒”空间望远镜发现了很多这种距离恒星非常近的岩质行星。

撰文 康斯坦丁 • 巴特金(Konstantin Batygin) 格雷戈里 • 劳克林(Gregory Laughlin) 亚历山德罗 • 莫尔比代利(Alessandro Morbidelli)

翻译 周磊 审校 周礼勇

关于太阳系形成的理论在长年反复探讨中趋于完善。这个理论认为,太阳系在数十亿年前诞生于一团由气体与尘埃组成、缓慢旋转着的黑暗云团。云团坍缩,中心形成了太阳。残存的气体和碎片围绕着太阳旋转,最终从中产生了八大行星以及冥王星等更小的天体。从那之后,太阳以及一众行星组成的系统在宇宙中不停旋转,其运动如钟表一般精准且可预测。

最近几年,天文学家注意到了一些蛛丝马迹,能证明人们熟知的这个太阳系形成与演化的理论其实并不完全正确。相比于数千个新发现的太阳系外行星系统,太阳系最显著的特征——较小的石质行星处于内部,气态巨行星处于外围,并且水星轨道之内再无行星——实际上相当“反常”。反转计算机模拟的时间方向,我们逐渐认识到太阳系的这些反常之处乃是其动荡的早期经历的结果。正在重写的太阳系历史充满了远超大多数人想象的戏剧性和混乱场面。

新的太阳系形成与演化史是这样的一个故事:行星由出生地被放逐而四处游荡,迷失的星球早在远古时代即被投入太阳而浴火毁灭,孤独的巨行星被驱向冰冷的星际空间边缘。研究这些远古事件以及它们留下的痕迹——例如,按推测应该隐藏于冥王星轨道外而未被观测到的第九颗行星——天文学家正在拼合太阳系形成过程中各关键时期的图景,并对太阳系所处的宇宙环境形成新的认知。

经典的太阳系

恒星形成于质量相当于太阳10 000倍的巨大分子云的中心,而行星是恒星形成的副产物。分子云中致密的核心区域能够自发坍缩,形成炽热发光的原恒星,而围绕中心的原恒星伸展开的则是由气体和尘埃形成的不透明环,被称为“原行星盘”。

数十年中,理论天文学家一直在研究太阳的原行星盘,试图解释太阳系最鲜明的特征之一:拥有石质行星和气态行星两种截然不同的成员。四颗石质的类地行星轨道周期较短,在88天(水星周期)和687天(火星周期)之间。与之不同,已知的几颗富含气体的巨行星处于更遥远的轨道上,轨道周期在12年到165年之间,它们的质量在类地行星的150倍以上。

天文学家认为,这两种类型的行星是经由同一种过程形成的。这个过程中,在乱流扰动的气体盘中绕转的尘埃微粒相互碰撞、合并,形成千米量级的星子,类似于无人打扫的厨房地板上在气流和静电作用下形成的灰尘球。最大的星子也有着最强的引力,它们清扫吸收了徘徊在它们轨道上的碎片,从而迅速增大。自分子云坍缩后的大概100万年之内,太阳系原行星盘——正如宇宙中其他原行星盘一样——就充满了月球大小的行星胚胎。

最大的行星胚胎存在于如今的小行星带的外侧,那里远离初生太阳的光和热,所以冰(既包括水冰,也包括其他固态的挥发性物质)能够在原行星盘中存在。在这条“冰线”之外,可用来构筑行星的冰非常丰富,行星胚胎大快朵颐,生长出了庞大的身躯。正所谓“富者越富”,最大的行星胚胎也是成长得最快的,因为它强大的引力场能够从周围的盘中快速吸收大部分可得到的冰、气体和尘埃。仅仅100万年左右,这个贪婪的行星胚胎就成长为木星。理论天文学家认为,此时正是太阳系由石质行星和气态行星组成的二分结构产生的关键时期。由于跟不上木星的步伐,太阳系的其他巨行星只能在木星留下的残羹冷炙中慢慢成长,吸收的气体较少,最后的体积也较小。而“冰线”以内的行星则小得多,因为内部的盘中几乎没有气体和冰。

除了一些伤脑筋的细节,例如火星和水星的质量出奇地小,上面这个“木星优先”的行星成长故事似乎能够完满地解释太阳系的结构。正因为如此,对于那些环绕其他恒星的行星系统,天文学家有些先入为主的看法:巨行星一定处于“冰线”之外的长周期轨道上,而石质行星将会处于“冰线”之内周期为数年或更短的轨道上。然而,事实证明这些看法都是不靠谱的。

系外行星大变革

二十多年前,当天文学家开始发现系外行星时,他们也将太阳系形成理论放在星系尺度下检验。许多最先发现的系外行星是所谓的“热木星”,它们围绕着恒星飞奔,轨道周期只有几天。在如此靠近恒星表面的炙热之地,完全不可能有冰存在,因而这些巨行星的存在完全相悖于经典的行星形成理论。为了调和这个矛盾,理论天文学家认定这些行星首先形成于离恒星更远的地方,后来以某种方式向内迁移至现在的轨道。

此外,根据NASA的“开普勒计划”等观测项目所发现的数千颗系外行星,天文学家正接近得出一个令人不安的结论:类似于太阳系的行星系统是相当罕见的。一般的行星系统包含一颗或者更多轨道周期小于100天的“超级地球”(比地球大几倍的行星),而巨行星(类似于木星和土星)却相对少见,只有大概10%的恒星周围发现有巨行星,其中占据着稳定、近圆轨道的更是少见。

期望的破灭让理论天文学家意识到,关于太阳系形成的经典理论中,那些“少数伤脑筋的细节”需要更好的解释。为什么相对于系外行星系统,内太阳系中的物质被清除得如此干净,只有袖珍尺寸的石质行星而非“超级地球”?为什么在周期88天的水星轨道之内再无行星?还有,为什么太阳系的巨行星轨道如此稳定并且延展至如此遥远的距离?

目前看来,这些问题的答案就存在于经典行星形成理论的一处败笔中:未考虑原行星盘的流体可变性。事实证明,一个刚形成的行星,就像海洋中的一个救生筏,可以远远漂离其起点。一旦一颗行星增长到足够大,它的引力效应就可以通过周围的盘传播,激发起螺旋波,而螺旋波本身的引力效应作用于行星和盘,会产生强有力的、或正或负的反馈作用。相应地,动量和能量会发生不可逆的交换,促使年轻的行星在其出生的原行星盘中开始一段史诗般的旅程。

考虑了行星迁移的过程以后,盘内的“冰线”就不再是决定行星系统结构的唯一因素了。例如,在“冰线”之外形成的巨行星能够通过向内迁移而成为热木星,当然与之相伴的还有螺旋落向恒星的气体和尘埃。麻烦在于这个过程太过高效,并且似乎所有的原行星盘都具有这个普遍特性。那么,该如何解释木星和土星的轨道离太阳那么远呢?

大转向

2001年,当时在伦敦玛丽皇后学院的弗雷德里克•马塞(Frederic Masset)和马克• 斯内格罗夫(Mark Snellgrove)通过计算机模拟,首次给出了一个令人信服的解释。他们模拟了土星和木星的轨道在太阳系原行星盘中同时演化的过程。由于土星质量较小,它向内迁移的速度要比木星快。因而在迁移的过程中,土星和木星之间的距离越来越小。最终它们的轨道形成一种特殊的构形——平运动共振,也就是说,土星每绕太阳转两圈,木星正好绕太阳转三圈。

两颗处于平运动共振的行星能够反复交换动量和能量,就像是玩起了行星间的“烫手山芋”游戏。由于共振摄动(当某个天体在另一个天体的引力作用下运动时,如果还有第三个天体的引力或其他因素对它的运动产生影响,这种影响就被称为摄动)的相干性,两颗行星向对方以及周围的物质施加的引力作用实际上都被放大了。对于木星和土星,这种往复运动使它们的引力联合作用于原行星盘,在盘上清出一圈巨大的空隙,木星在空隙的内边缘,而土星在空隙外边缘。此时,由于木星质量较大,木星对于内侧盘的引力作用强于土星对于外侧盘的引力作用。不可思议的是,这会导致两颗行星调转方向,往远离太阳的方向运动。这种先向内后向外的迁移方式常被称作“大转向”,因为这类似于帆船在风向稳定时改变航向的运动方式。

2011年,即“大转向”模型的初步构想被提出的10年后,当时在法国蔚蓝海岸天文台的凯文•J•沃尔什(Kevin J. Walsh)和同事进行的计算机模拟显示,“大转向”模型不仅能清楚解释木星和土星的动力学演化过程,还能解释石质和冰质小行星的分布情况以及火星的小质量问题。随着木星向内迁移,它通过引力作用俘获并裹挟迁移路径上的星子,就像铲雪机一样把它们挖起来再推到前面。如果我们假设木星在转向回头之前迁移到了现在的火星轨道,那么它可以把总计大约10倍地球质量的冰运送至类地行星区域,从而为这里带来了水和其他挥发性物质。这个过程也给内部星云中的行星构成材料划出了一条清晰的外边界,阻断了该边界附近行星胚胎的成长,使得它只能成为一个小质量的行星,即火星。

大扫荡

尽管到了2011年,“大转向”模型看来已经颇具说服力,但天文学家仍不清楚该模型与太阳系另一个未解之谜有何关联,这个谜就是水星轨道之内为何没有任何行星。相比于其他在紧邻恒星的轨道上挤满了“超级地球”的行星系统,太阳系看起来几乎就是“空心”的。这究竟是为什么?太阳系没有遵循宇宙中行星形成的主流模式,这实在太奇怪了。2015年,本文作者(巴特金和劳克林)研究了“大转向”模型对邻近太阳的“超级地球”的影响。我们惊讶地发现,它们无法在“大转向”中存活下来。更加值得注意的是,木星先向内后向外的迁移方式能够解释许多太阳系行星具有的特征,同样也能解释为什么它们不具备某些特征。

当木星冲入内太阳系时,它如铲雪机一般的作用将星子群原本整齐有序的圆轨道搅动成了螺旋交错的一团乱麻。一些星子猛烈地碰撞,破裂成碎片,而这些碎片又不可避免地导致更多的碰撞和破碎。因而木星向内迁移时极可能引起了一连串大规模碰撞,导致星子群瓦解,把星子碾碎,让它们变回了巨石、石块直至沙尘。

受到碰撞、研磨以及气动阻力(在内盘上含气体的区域)的作用,正在破裂和瓦解的星子丢失能量,轨道快速衰减,螺旋着落向太阳。在下落过程中,它们很容易被俘获进入共振状态,堆积到邻近太阳的原生“超级地球”附近。

对于这些行星来说,这可是一个天大的坏消息,突然蜂拥而至的碎片群会吸收它们的轨道能量。受到原行星盘上气流的持续阻滞,碎片群本该直接螺旋落向太阳,但 “超级地球”却将碎片群挽留在了它的共振区域,在这里,碎片群持续地从这些行星吸取轨道能量,然后通过气动阻力以热量的形式释放掉这些能量。最终,瓦解的星子形成的碎片群,把这些行星无情地推向“死亡漩涡”,它们的轨道不断降低,一个接一个地落入太阳。我们的模拟表明,这些行星在星子大规模碰撞开始后最多只能存活几十万年。

因此,木星和土星的“大转向”可能促发了对原本靠近太阳的那些行星的一次“大扫荡”。曾经存在过的“超级地球”落向太阳,留在它们身后的,是太阳星云中一片荒凉孤寂的空旷地带, 一直延伸到轨道周期约100天的地方。这样一来,木星在早期太阳系内的这一次突然袭击造就了一条相当窄小的石质碎片环带,环带中的碎片再经历上亿年的并合积累之后终于形成类地行星。如此精致的编排需要一系列偶然事件珠联璧合的配合,这也就意味着,类似地球的小型石质行星——或许还包括它上面的生命——在整个宇宙中是十分罕有的。

尼斯模型

当木星和土星完成了对内太阳系的突袭并掉头远离太阳的时候,太阳周围的气体和尘埃盘逐渐消散。木星和土星这对处于共振中的搭档,最终遇到了新形成的天王星和海王星——或许还有另一个类似大小的天体。借助正在消散的气体的引力作用,这对动力学搭档将这些较小的巨行星也束缚到共振之内。因此,当盘内大多数气体消散的时候,内太阳系的构造可能就是一条位于目前地球轨道附近的石质碎片环带,而太阳系外围,则是处于紧凑共振链条上的至少四颗巨行星,它们分布在一系列近圆轨道上,最近的位于现在的木星轨道,最远则在海王星当前轨道与太阳之间的中点附近。在最外侧的巨行星轨道之外,外盘上寒冷的冰质星子一直远远延伸到太阳系的边缘。数亿年后,类地行星形成了,一度狂暴不安的外部行星也安定下来进入某种稳定的状态。然而,这并不是太阳系演化的最终形态。

“大转向”和同时期的“大扫荡”,已经给太阳系历史中的最后一次行星间“暴力行为”搭好了舞台,而这最后一幕终于将太阳系塑造成与我们今日看到的几乎一致的形态。这最后一幕就是发生于41亿年前至38亿年前的所谓“晚期重轰炸”,当时太阳系一度变成大量星子横冲直撞的星子射击场,如今我们看到的月球上密密麻麻的巨大陨坑就是当时留下的痕迹。

2005年,本文作者莫尔比代利和几个同事在法国尼斯的蔚蓝海岸天文台提出了“尼斯模型”,来解释巨行星之间的相互作用是怎样导致晚期重轰炸的。 “大转向”结束那一刻,正是尼斯模型开始之时。

轨道紧密排列的巨行星仍处于共振状态,并且仍受到遥远冰质星子微弱的引力作用。事实上它们的轨道犹如在刀锋上行走,随时可能从稳定中跌落。外部星子的每次轻微拖曳都微妙地改变着它们的运动,数几亿年、数百万个轨道周期的作用积累起来,慢慢地破坏了束缚着它们的脆弱共振平衡。当一颗巨行星脱离与另一颗的共振时,转折点终于来临,平衡状态瓦解、一系列混乱的行星间摄动开始了,这些摄动将木星稍向内推移并把其他巨行星向外散射。宇宙时标下短短的几百万年之内,太阳系外部经历了剧烈的变化,行星紧密排列的近圆轨道转变为了松散无序的偏心轨道。巨行星之间的相互摄动是如此剧烈,以至于有一颗甚至多颗巨行星被散射至恒星际空间。

假如动力学演化就到此为止,太阳系外部的构型将与那些太阳系外巨行星的状态完美吻合,正如我们所看到的,很多太阳系外的巨行星都处于偏心轨道上。然而,万幸的是,冰质星子盘既能燃起上述混沌过程的火种,也能通过与巨行星偏心轨道的相互作用扑灭这片混沌的大火。这些星子一个接一个地近距离掠过木星和其他巨行星,大多数被巨行星“甩”出去,并逐渐带走行星的轨道能量从而将它们的轨道重新“磨”圆。尽管大多数星子都被散射至太阳引力范围之外,仍有一小部分束缚在围绕太阳的轨道上,形成冰质的碎片盘,我们如今称之为柯伊伯带。

太阳系:最奇怪的行星系统

神秘的“第九行星”

第九行星,终极理论

天文学家利用最大的望远镜对柯伊伯带进行耐心观测,正逐渐揭示柯伊伯带的全貌,并且发现它有一些出人意料的结构特点。尤为特别的是,天文学家发现,那些几乎处于探测能力极限的最遥远柯伊伯带天体,轨道具有一种非同寻常的模式。尽管这些遥远柯伊柏带天体与太阳的距离各不相同,但它们的轨道却显示出高度聚集的特征,就好像它们受到了某种共同的强摄动。加州理工学院的巴特金和迈克尔•E.•布朗(Michael E. Brown)所做的计算机模拟表明,一颗未被观测到的行星(第九行星)会很自然地导致这样的轨道分布情形,该行星的质量应有地球的10倍,并且处于一个周期约为20 000年的高度偏心轨道上。这样的行星不大可能在如此遥远的区域中形成,但如果它是太阳系初期被从近处赶出来的流亡行星,那就容易理解了。

如果太阳系的第九行星被证实的确存在,那么这个发现将极大地增进我们对奇怪的空心太阳系的了解,为我们解释太阳系反常现象的理论提供新的约束条件。现在,天文学家正满怀激情地调动地球上几台最大的望远镜来搜寻这颗行星。在人类探索自己在宇宙中的位置这一漫长而复杂的故事中,第九行星的发现将是位列倒数第二场的压轴戏,唯有最后的大轴戏才能胜过它:当然是最终找到存在生命的系外行星。

正如DNA测序能够揭示人类在远古时期的迁移历程一样,天文学的线索使我们能够利用计算机模拟重现行星在太阳系数十亿年历史中的壮丽旅程。从太阳系在激荡的分子云中诞生,到第一批行星形成,再到导致众多行星支离破碎的“大转向”与“大扫荡”和尼斯模型,最后到生命和智慧在广阔银河系中的一颗恒星旁出现,太阳系的完整传记将会是现代科学最重要的成就之一——并且毫无疑问也是最精彩的故事之一。

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天文学家的圣山争夺战

[责任编辑:sorazhang]
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