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太陽系為何如此與眾不同

  • 發佈時間:2015-05-24 13:29:58  來源:科技日報  作者:佚名  責任編輯:羅伯特

  在水星、金星、地球和火星還未形成的很早以前,太陽系內可能有著許多超級地球般的行星,比地球更大,但比海王星要小。如果真是這樣,它們也早已消逝——在幾十億年前粉碎並被太陽吞噬。這一切,主要是因為在太陽系的早期歷史上,木星曾經有過一次先向內遷移,然後向外的“大轉向”。

  發表在美國《國家科學院學報》網站上的一篇研究論文提出,木星曾像個碾壓球一樣橫掃了早期的太陽系,破壞了第一代係內行星,然後才退回到它目前的軌道上。天文學家近年來發現了數百個係外行星系統,與它們相比,我們的太陽系是如此地與眾不同。

  與眾不同的太陽系

  “目前,在天空背景上我們能看到自己的太陽系,還有許多其他的行星系統,一個最有趣的特點是,水星的軌道以內沒有行星,”該論文合著者、美國加州大學聖克魯茲分校天文與天體物理學教授格雷戈裏·拉弗林説。“在我們的銀河系中,標準的行星系統就像是一套超級地球,它們的軌道週期短得令人吃驚。我們的太陽系才是越看越古怪。”

  根據近年來對係外行星的研究,在銀河系中,約有一半的類日恒星都有行星環繞。“恒星獵人”計劃已探測到1000多顆圍繞著係外恒星公轉的係外行星,包括將近500個有多個行星的恒星系。從這些觀察中,科學家能總結出“典型的”行星系統的樣子:由許多品質超過地球幾倍的行星(超級地球)組成,它們繞主恒星的軌道半徑比水星到太陽的距離要近得多。在有著像木星那樣的巨行星的系統中,那些巨行星也比我們太陽系中的巨行星離它們的主恒星更近。

  而在太陽系中,水星軌道內只有些零星碎片,可能是近地小行星進一步向內運動的結果,但肯定是沒有行星的;我們的岩石行星的品質更小,大氣層更薄,這些都和其他大部分恒星系形成了鮮明對比。

  最近,美國加州理工大學的行星科學家康斯坦丁·巴蒂金和拉弗林借鑒以往的研究假説,通過計算和模擬,為早期太陽系描繪了一幅新畫面,有助於回答許多懸而未決的關於目前的太陽系和地球本身的構造問題。比如,為何太陽系內部留下了“張開的洞”?為何地球及其他內部岩石行星形成的時間比外部行星更晚?與其他恒星系的行星相比,為何我們太陽系的類地行星的品質相對較小?

  “確實,在銀河系的行星系統中,我們現在的太陽系看起來並不具有普遍代表性。相反,我們是個例外,”巴蒂金説,“但沒有理由認為,太陽系沒有按照整個銀河系主流的行星形成模式發展,更可能的是,後來的變化改變了它最初的構造。”

  遠古的木星“大轉向”

  早在2001年,英國倫敦瑪麗皇后大學一個研究小組就提出了“大轉向”假説,2011年法國尼斯天文臺的另一個研究小組再次提出這一觀點。按照這一假説描述的情景,在太陽系早期的最初幾百萬年裏,建造行星的原始材料——星子——還嵌在由氣體和塵埃組成的厚厚的吸積盤裏,圍繞著相對年輕的太陽。木星品質變得越來越大,其萬有引力的影響也越來越大,在盤中清出一條路來。當時太陽拉著吸積盤的氣體向自身聚集,木星也開始向內飄移,就好像行進在一個巨大的傳送帶上。

  “木星在傳送帶上不斷行進著,最終將會掉進太陽,如果不是因為土星的話。”巴蒂金解釋説。土星在木星之後形成,但被拉向太陽的速度更快,使它能趕上木星。一旦兩個大品質行星靠得足夠近,它們就會形成一種固定關係,叫做軌道共振,這樣它們的軌道週期是成比例的。比如在一個2:1的軌道共振中,土星圍繞太陽轉兩圈的時間,木星只能轉一圈。在這種關係中,兩個天體會彼此施加萬有引力影響。

  “共振允許吸積盤上的兩個行星開放共同通道:它們開始玩這種遊戲,彼此交換角動量和能量,幾乎保持同一個節奏。”巴蒂金説。最終,這種來回互動清空了二者之間的所有氣體,在一個逆行星遷移方向的位置,把它們向太陽系外拉扯。在“大轉向”描述的情景中,行星先向內遷移,隨後戲劇性地改變行程,就像一條船繞過了一個航標。

  在早期的由加州大學洛杉磯分校的布萊德雷·漢森開發的模型中,在一系列特定的環境條件下,類地行星順利地終結在它們現在的軌道上,並有著現在的品質——其中一個條件是,在太陽形成後1000萬年,所有的構成太陽系內部行星的材料——星子——都碰巧“定居”在一個狹窄的圓環區域,從0.7到1個天文單位(1天文單位是一個平均日地距離)。

  按照“大轉向”理論設想,環區的外邊界由木星劃出,當它向著太陽運動時,就像在一條傳送帶上,在太陽系的吸積盤中清理出一條路來,一直到達地球目前的軌道。但它的內邊界在哪兒?為何星子要被局限在環區內部?“這一問題還未解決!”巴蒂金説。

  掃蕩第一代“超級地球”

  按照拉弗林和巴蒂金的新解釋,答案在於最初的超級地球——太陽系內部的空洞幾乎剛好對應著其他恒星系中典型的超級地球所在的位置。如果在木星向內遷移之前,太陽系內部已經有了一套軌道更窄的岩石行星會怎樣?那時候,太陽附近被緻密的氣體和塵埃圍繞著,所以,不斷形成有著深厚大氣層的岩石行星也是合理的,在變成典型的“超級地球”的過程中,它們就像許多繞著其他係外恒星公轉的係外行星一樣。

  因此可以合理地推測,這一區域曾有過第一代行星群,它們沒能倖存下來,在太陽系的早期歷史中被清除了。太陽系之所以變成今天這個樣子,木星是關鍵。

  “這就像我們擔心的衛星在近地軌道被破壞那樣,它們的碎片可能會衝進其他衛星領域,引發碰撞連鎖反應。我們的研究表明,木星可能就是在太陽系的內部,製造了這樣一次連續碰撞事故。”拉弗林説。

  巴蒂金和拉弗林研究了木星和土星的形成情況,並借鑒了“大轉向”理論中的某些解釋。拉弗林説,形成像木星這樣的巨行星是非常罕見的,但在它形成時,巨行星通常會向內遷移,並在來到類似地球這樣的軌道距離時停止。直到太陽系中形成了土星時,才把木星拉了回去,讓水星、金星、地球和火星得以形成。

  根據他們的計算模擬,隨著木星向內移動,它把沿途遇到的所有星子都拉進軌道共振中,帶著它們一起向太陽移動。在那些星子離太陽更近時,它們的軌道變成了橢圓形。“你不可能毫無代價地減小軌道半徑,結果就會增加它們的長短軸比例,”巴蒂金説。

  那些新的、拉長了的軌道使這些星子大部分的軌道半徑在100公里級別,掃過以前不能達到的盤區,引發了一連串的碰撞。巴蒂金的計算結果顯示,在此期間,每個星子每隔200年就會與其他物體碰撞至少一次,碰撞造成的碎片殘骸螺旋著飛向太陽,頂著來自緻密氣體的強大逆風,圍繞太陽旋轉。持續進行的碰撞雪崩會破壞任何新形成的超級地球,撞碎的殘骸越來越多地飛進太陽。

  他們做了一個最終模擬,以看看如果恒星系內部有著一群超級地球,當這一連串碰撞開始後,會發生什麼情況。他們在已經熟知的開普勒-11(Kepler-11)恒星系中進行模擬。該恒星系內部有6個超級地球,總品質是地球的40倍,圍繞著一顆類日恒星公轉。根據模型預測,在一場持續超過兩萬年的星子碰撞雪崩中,超級地球都將被驅入類日恒星。

  “這是個非常有效的物理過程,”巴蒂金説。“只要幾個地球品質的材料,就能把相當於幾十個地球品質的行星趕入太陽。”

  太陽系的“星二代”

  我們的太陽系也曾有過許多超級地球,地球屬於第二代行星。這些“星二代”—水星、金星、地球和火星—是後來形成的,它們品質更小,大氣層也更薄,因為當時可用的“造星”材料已經所剩無幾。

  巴蒂金説,當木星轉向後,它攜帶的一些星子碎片會平靜下來進入環形軌道。又經過幾百萬年時間,星子才聚集在一起,最終形成了類地行星。被木星掃蕩後,只有約10%的物質剩下來,構成了現在的水星、金星、地球和火星。“我們就是從這一混亂的剩餘殘骸中形成的。”

  “木星先內後外的航行可能摧毀了第一代行星,並形成了太陽系目前這一代品質較小的類地行星。”巴蒂金説,這與人們的觀測證據—地球形成于太陽出生後的1億至2億年間—吻合地非常好。由於那時原來的氫氦氣盤早已消失,這也解釋了地球大氣層中為何缺少氫氣。

  這也與太陽系內部行星比外部行星更年輕的證據相符。拉弗林説:“我們的理論預測之一是,真正的類地行星,有著固體表面和適中的大氣壓,是非常罕見的。”另一個預測是,這些有著軌道週期超過100天的巨行星的系統,不太可能承載多個近軌道行星。

  “這種理論,某事發生一次之後又發生了一次,幾乎都是錯的,所以一開始我們對此也持懷疑態度,”他説。“但它確實包含了其他研究人員廣泛涉及的一般過程。有許多證據支援‘木星先向內後向外’移動的觀點,我們深入研究了那些結果。對太陽系內原來的星體而言,木星的‘大轉向’或許更像是一次‘大攻擊’。”

  這讓太陽系變得與眾不同,大部分係外行星都和太陽系不一樣。據巴蒂金預測,大部分係外行星都是超級地球,它們的大氣層中含有大量的氫氣,因為在它們形成時,所在的行星盤還有大量的氣體。“最終從本質上來説,這意味著像地球這樣的行星並不常見。”

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