太阳系里最大规模的迁移,地球出现之前,行星都曾“流浪”过?

原行星盘的艺术想象图。图片来源:NASA,Pat Rawlings

太阳系中的行星似乎亘古不变地环绕着太阳,然而在几十亿年前,太阳系其实发生过剧烈的震荡,极大改变了行星的运行轨道。尼斯模型可以解释这次巨大迁移的原因,但最近一个新的猜测挑战了这个十七年前提出,今天已经成为主流的模型。

46 亿年前,一团巨大的漩涡气体尘埃包裹着初生的太阳,太阳系由此诞生。在初始形成的太阳周围环绕着由密度较高的气体和尘埃组成的原行星盘,类地行星(水星、金星、地球和火星)和巨行星(木星、土星、天王星、海王星)逐渐在这个气体盘中形成。从上世纪末开始,科学家认为太阳系早期的巨行星是在紧凑而间隔均匀的轨道上形成的。然而观测表明,它们的轨道却稍微偏向于歪斜的椭圆,同时也较为分散。行星的轨道为什么会从均匀转向分散?这种迁移又是什么时候发生的?这是关乎太阳系形成过程的重要问题。

在 1984 年,科学家提出:原行星盘外围的微行星带与巨行星发生的碰撞可能是这一现象的原因。这些微行星先与最外围的海王星相撞,其中一部分被向外散射,大部分进入了天王星轨道内侧,海王星的轨道角动量增加而向外移动。这样的碰撞之后接连发生在天王星和土星上,也导致它们的轨道外移。对于更内侧的木星,射向它的微行星大部分被向外弹射,所以木星的轨道反而稍微向太阳靠拢了。

微行星盘推动行星轨道变化的简略示意图,图片来源:A. Morbidelli 和 H.F. Levison

之后,科学家在对系外行星的探索过程中获取了一些灵感。开始,科学家发现了一类与木星非常相似的气态巨行星,但它们离恒星非常近,轨道周期也很短,有些甚至不到 10 天,这些行星被称为“热木星”。随后,科学家发现了轨道更长的气态巨行星,他们注意到这些行星的轨道大多与正圆相差甚远,就像被拉伸了似的。

这种现象被认为是“动态不稳定”所导致的:恒星附近的气态巨行星通常不会只产生一个,恒星系的原行星盘消散后,这些巨行星会在引力的影响下推挤,轻微改变彼此的轨道。如果轨道足够近,甚至交叉时,巨行星就会由于引力反复相遇和分散。最终的结果通常是一个或多个行星被弹射出去。这时,幸存行星的轨道就不会是正圆形。至少 75% 的系外巨行星系统都是这种“动态不稳定”的产物。科学家认为,这样的不稳定或许是太阳系中行星轨道震荡的另一可能原因。

在 2005 年,一个新的太阳系演化模型 —— 尼斯模型(Nice model)将微行星盘的碰撞和动态不稳定两个因素合并成了一个连贯的理论。这一模型推测早期的太阳系中有第五颗巨行星的存在,但在原行星盘消散的几亿年后,这颗巨行星由于和木星之间的动态不稳定被弹出太阳系。同时,在海王星的轨道外一个大约 20-30 倍地球质量的微行星带导致了天王星和海王星的轨道外移。海王星的轨道逐渐接近这个微行星带的边缘,其他巨行星也分散到了现在的位置。

尼斯模型对于巨行星和微行星带的模拟图像,深蓝色为海王星的轨道,浅蓝色为天王星的轨道。左一为木星和土星达到 2:1 共振前,模型预测天王星和海王星有 50% 的概率交换过位置;中间显示了海王星轨道的变动与微行星散射进太阳系;右一中海王星的轨道外移至微行星带的边缘。图片来源:AstroMark

尼斯模型的动力学模拟结果为许多天文观测做出了解释,在过去十几年中受到了广泛认可。然而根据这一模型推测的时间,这种不稳定会破坏包括地球在内的,已经完全形成的类地行星。其他研究,包括阿波罗任务采集的月岩样本,也都表明行星的迁移可能是在更早的时候发生的。

今年四月,发表在《自然》杂志上的一篇论文提出了一个新的行星轨道变化模型,认为这次演变很可能是由于早期太阳的原行星盘从内而外的消散而引起的。来自浙江大学的刘倍贝、法国波尔多大学(University of Bordeaux)的约翰・雷蒙(Sean Raymond)和美国密歇根州立大学(Michigan State University)的赛思・雅各布森(Seth Jacobson)合作进行了这项研究。雅各布森表示:“这个新的理论可以帮助我们缓解这一领域现有的冲突,因为对于巨行星不稳定的产生,这是非常自然的一个答案。”

研究人员推测,在更早的时候,太阳核聚变点燃释放出高能量的辐射,导致原行星盘从中心开始受热蒸发,围绕太阳产生了一个洞。就像一个甜甜圈中间的洞越来越大,甜甜圈本身越来越细,直到消失。空洞逐渐向外扩张,它扫过的巨行星被“甜甜圈”向外拉,巨行星的轨道也就随之外移。但木星是个例外,它的质量太大,本身就能在气体盘上产生断层,抵消了气体盘消散时产生的拉力。土星就没有那么幸运了,它被气体盘向外拖拽,靠近冰巨行星(天王星和海王星)的轨道。根据模拟,这有极大概率会引起动态不稳定,导致冰巨行星被土星弹射出去。巨行星的轨道之后逐渐均匀,并到达了现在的位置。

气体盘消散导致不稳定的示意图,灰色部分表示气体盘,时间顺序从上到下。图片来源:约翰・雷蒙(Sean Raymond),星球图像来自 NASA

而更重要的是,根据这个新的模型,动态不稳定会导致小行星和彗星撞击还在形成中的地球,那时后者还没有产生原始的生命。“这个过程会搅动内太阳系,地球就可以从中形成,”雅各布森说,“这与目前的观测是非常契合的”。地球的形成与这种不稳定性之间的联系也是研究团队未来想要继续探究的课题。

同时,这个理论也适用于银河系中的其他恒星系统。虽然这次动态不稳定对太阳系产生了巨大的影响,但和太阳系外比起来,这种不稳定还是较弱的。幸运的是,由于木星逃过了气体盘的拉力,木星和土星并没有在这个过程中靠近,否则就像太阳系外的许多巨行星一样,木星的轨道偏心率会是现在的 5-10 倍(偏心率越小,轨道越接近正圆)。在这种情况下,地球也就无法形成了。因为在地球形成之前,她的组成部分就已经被卷进太阳中了。

参考文章:

  • https://nautil.us/were-it-not-for-cosmic-good-fortune-we-wouldnt-be-here-18446/

  • https://www.eurekalert.org/news-releases/951041

  • https://planetplanet.net/2022/06/30/the-giant-planet-instability-the-nice-model/

参考论文:

  • https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0019103584901015?via%3Dihub

  • https://www.nature.com/articles/nature03539#Abs2

  • https://www.nature.com/articles/s41586-022-04535-1

本文来自微信公众号:环球科学 (ID:huanqiukexue),编译 :孟凡琼  审校 :王昱

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