太陽系是“非正?！焙阈窍担?/h1>
2022-05-30 10:48:04石之磊
科學之謎 2022年4期
石之磊
很久很久以前，太陽系中有四顆小的巖石質(zhì)行星，分別叫水星、金星、地球和火星，還有四顆大的氣態(tài)行星：木星、土星、天王星和海王星。四顆巖石質(zhì)行星靠近太陽，因為那里非常熱，其他東西都蒸發(fā)掉了，只剩下耐熱的巖石。在更遠的地方，氣溫低，周圍又有大量的冰，所以那里的行星能長成氣態(tài)的巨行星。
直到最近，關于我們太陽系形成的主流故事都是這么說的;而且天文學家認為，任何恒星系都會是這樣形成的。
但是，當我們在銀河系其他地方發(fā)現(xiàn)大量的恒星系時，竟然沒有一個看起來像太陽系的！有跟母恒星靠得很近的氣態(tài)巨行星，有夾在兩顆氣態(tài)巨行星之間的巖石質(zhì)行星……總之，關于在什么位置上出現(xiàn)什么樣的行星，根本沒有定規(guī)，什么都有可能。
起初，我們還把這些系外行星視為非正常的特例，但在有了成千的例子之后，我們不得不承認：“非正?！钡目赡芮∏∈俏覀冏约旱奶栂?！
行星的形成是一個動態(tài)過程
1990年代，當?shù)谝慌低庑行潜话l(fā)現(xiàn)時，我們的太陽系看起來就已經(jīng)顯得有些另類。這些系外行星都是氣態(tài)巨行星，跟母恒星靠得很近，公轉周期只有幾天。天文學上稱它們?yōu)椤盁崮拘恰薄?/p>
它們顯然是出現(xiàn)在了錯誤的位置上。行星是由一顆年輕恒星周圍的氣體塵埃盤（叫原行星盤）形成的。要形成一顆氣態(tài)巨行星，你首先需要一個數(shù)倍于地球質(zhì)量的固體核作為引力中心，氣體可以在其周圍積聚。其次，形成地點不能太靠近恒星，否則強烈的輻射會使塵埃和氣體蒸發(fā)。
所以，按以太陽系為標準的恒星系形成理論，這些熱木星不可能誕生于它們現(xiàn)在所在的地方，那么剩下的一個選擇是：它們一定是在其他地方形成，然后遷移到現(xiàn)今位置的。
它們是如何遷移的呢？理論家很快想出了一個答案：行星在成長過程中，由于它與原行星盤物質(zhì)的摩擦或碰撞，有時會使它失去平衡，導致向內(nèi)或向外做螺旋式的遷移。
這就是說，行星的形成是一個動態(tài)過程，而不是我們原先設想的那樣，所有行星都誕生于它現(xiàn)在所在的地方，并一直停留在那里。
大逆航。四顆巨行星在60萬年的時間里，通過原行星盤的遷移。距離以天文單位（AU）標記。在1 AU處（現(xiàn)在地球所在的軌道）的小行星帶后來凝聚成了四顆巖石質(zhì)行星。
這種動態(tài)過程有助于解釋我們觀察到的系外行星的怪異現(xiàn)象：像HD 37605 b這樣一顆接近其母恒星的氣態(tài)巨行星，它所遵循的是極扁的橢圓軌道，而不是通常的近圓軌道;還有開普勒-20，其中兩顆地球大小的行星在三顆巨行星之間穿梭;還有開普勒-90，它的八顆行星圍繞著一顆類似太陽的母恒星運動，但所有行星都被擠到了比日地距離還近的軌道范圍以內(nèi)。
太陽系的形成也不是靜態(tài)的
那么，有什么證據(jù)證明太陽系的形成也是動態(tài)的呢？首先，讓我們來看看先前理論的漏洞。
根據(jù)以前的說法，一顆行星離太陽越遠，形成它的固體物質(zhì)就越多，它也應該越大。然而，超過一定程度，隨著物質(zhì)的密度開始下降，行星應該再次變小。
考察我們的太陽系，天王星和海王星這兩顆冰質(zhì)巨行星，雖然它們確實比木星和土星這兩顆更靠近太陽的巨行星小得多，但仍然顯得太大，之前的理論無法解釋它們是如何形成現(xiàn)在這個樣子的。
一個新的行星遷移理論為此提供了一個解決方案。這個理論說，所有這四顆巨行星最初誕生時都彼此離得較近，所以它們的塊頭都差不多大，后來在引力作用下，才各自遷移到了目前的位置上。
除了解釋天王星和海王星的大小之外，由巨行星遷移引起的不穩(wěn)定會席卷早期的太陽系，導致小行星紛紛墜向太陽，有一些可能被沿途的行星和衛(wèi)星捕獲。這就解釋了為什么月球表面遭受到那么多隕石的轟擊。這還可以解釋木星是如何獲得“特洛伊”小行星——這是兩群小行星，分別位于木星軌道前方和后方，與木星共用軌道，一起繞著太陽運行，總共大約有1萬顆。
在我們的太陽系，還有一個令人困惑的現(xiàn)象。太陽系有像地球這樣的小型巖石質(zhì)行星，也有像海王星這樣17倍地球質(zhì)量以及比它還大的巨行星，但介于兩者之間，中等大小的行星卻一個都沒有。難道它們不易形成嗎？可是放眼其他恒星系統(tǒng)，這些中等大小的家伙很多，構成了我們所知的一半以上的系外行星。那么，為什么它們在太陽系偏偏不見蹤影呢？
再一次，行星遷移理論可以做出合理的解釋。如果木星在某個時候向內(nèi)遷移，在遷移途中一路吞噬物質(zhì)，搶奪了本來用于其他行星形成的部分資源，那么剩余物質(zhì)就不足以形成中等大小的行星了。這也解釋了為什么火星小得奇怪，只有地球質(zhì)量的十分之一。
太陽系真的與眾不同嗎？
按照行星遷移理論，如果不加控制，木星會把水星、金星、地球推向更靠近太陽的地方，同時自己也會變成一顆熱木星。
這一切之所以沒有發(fā)生，可能正是太陽系跟其他恒星系不同的地方。因為我們的太陽系不是只有一個，而是有兩個超級“巨人”——除了木星，另一個是土星。正是這一點拯救了我們。土星的質(zhì)量約為木星的80%，這意味著它的引力對木星是一個很大的牽制。當木星往內(nèi)遷移時，土星也跟著向內(nèi)遷移，而且由于它的質(zhì)量小，比木星還快。隨著它們越來越近，兩者被“鎖定”在一塊，產(chǎn)生共振，這使它們的遷移速度減慢，甚至最后逆轉過來，土星牽引著木星往外遷移。
這種情況被稱為“大逆航”。雖然造成“大逆航”的原因是什么，我們并沒有充分研究清楚，但在動力學上是可能的。通過“大逆航”，木星和土星遷移到了現(xiàn)今的位置。“大逆航”在其他恒星系甚少發(fā)生，這可能也是太陽系“非正常”的一個原因。
不過，太陽系的“非正?！币部赡苁莻€假象。在系外行星中我們之所以發(fā)現(xiàn)更多的是熱木星，可能與我們的探測技術有關。因為目前探測系外行星的方法主要有兩種，一種叫“徑向速度法”，即通過探測母恒星受行星引力影響而產(chǎn)生的輕微擺動來發(fā)現(xiàn)系外行星。另一種叫“凌星法”，通過探測行星掠過母恒星表面時引起的恒星亮度的變化來發(fā)現(xiàn)系外行星。兩種探測技術顯然都是行星越大，越靠近母恒星，越容易被探測到，所以更有利于發(fā)現(xiàn)非常接近其母恒星的大型行星（即熱木星），而不利于發(fā)現(xiàn)接近其母恒星的巖石質(zhì)行星或者遠離其母恒星，像在太陽系木星位置上的巨行星。
如此看來，為了解太陽系的形成，弄清楚它是不是一個“非正?！焙阈窍?，我們還有很多工作要做。
值得慶幸的是，新計劃已經(jīng)在緊鑼密鼓的安排之中。歐洲航天局的“蓋亞任務”和歐洲南方天文臺的甚大望遠鏡都將以不同的方式尋找系外行星。歐洲航天局計劃2026年發(fā)射的柏拉圖太空望遠鏡是開普勒太空望遠鏡的后繼者，計劃中已被優(yōu)先安排在類太陽恒星系搜索系外行星。
同時，我們也希望對自己的太陽系有更多的了解。美國宇航局的“露西任務”目前正在前往木星“特洛伊”小行星群的途中。在為期12年的任務中，它將第一次近距離觀察它們的特征。如果“特洛伊”小行星群真的是行星遷移的結果，那么它們的組成可能會為早期太陽系的動態(tài)提供重要線索。
拓展閱讀
當恒星系之間發(fā)生碰撞時
在早期的太陽系中，可能還有比行星遷移更具破壞性的力量在起作用。這是一些研究柯伊伯帶的天文學家得出的結論?？乱敛畮翘栂抵杏珊Ｍ跣且酝饪赡艹^10萬顆小行星組成的環(huán)形地帶。
柯伊伯帶本身被認為是早期太陽系中行星遷移的產(chǎn)物：一些在內(nèi)太陽系形成的小行星，由于受行星遷移的擾動，被拋射到遠離太陽的地方，形成了柯伊伯帶。
按行星遷移理論，隨著我們向外走，柯伊伯帶的天體應該漸進式地減少。但天文學家看到的情況卻與之相反，在離開太陽大約50倍日地距離的地方，天體的數(shù)量出現(xiàn)斷崖式的下降。這種現(xiàn)象被稱為“柯伊伯崖”。還有像矮行星塞德娜這樣的柯伊伯帶天體，它們出現(xiàn)在極扁的橢圓軌道上，也違背了傳統(tǒng)解釋。
英國謝菲爾德大學的理查德·帕克認為他有一個答案。他是研究星團的科學家。星團是由很多密集的恒星組成的群體。這些恒星都是從同一團星際氣體中形成的。它們靠得很近，彼此影響。
他的基本想法是：恒星之間的引力可以把對方的行星拋來拋去，或者干擾這些行星所形成的原行星盤。最大的恒星甚至可以向鄰居恒星系輻射很強的紫外線，蒸發(fā)掉后者形成行星的原行星盤。所有這些都會對所產(chǎn)生的行星產(chǎn)生深遠的影響。
根據(jù)帕克的說法，我們的太陽是在一個星團中誕生的，與另一顆恒星的親密接觸把柯伊伯帶中較遠、較小的成員拉到了更遠的地方，同時也拉扁了其他較大天體的軌道。這種星團內(nèi)部恒星之間的互動，也導致太陽從其誕生的星團中被彈射出來，這解釋了為什么現(xiàn)在太陽周圍沒有其他恒星伙伴。
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石之磊
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直到最近，關于我們太陽系形成的主流故事都是這么說的;而且天文學家認為，任何恒星系都會是這樣形成的。
但是，當我們在銀河系其他地方發(fā)現(xiàn)大量的恒星系時，竟然沒有一個看起來像太陽系的！有跟母恒星靠得很近的氣態(tài)巨行星，有夾在兩顆氣態(tài)巨行星之間的巖石質(zhì)行星……總之，關于在什么位置上出現(xiàn)什么樣的行星，根本沒有定規(guī)，什么都有可能。
起初，我們還把這些系外行星視為非正常的特例，但在有了成千的例子之后，我們不得不承認：“非正?！钡目赡芮∏∈俏覀冏约旱奶栂?！
行星的形成是一個動態(tài)過程
1990年代，當?shù)谝慌低庑行潜话l(fā)現(xiàn)時，我們的太陽系看起來就已經(jīng)顯得有些另類。這些系外行星都是氣態(tài)巨行星，跟母恒星靠得很近，公轉周期只有幾天。天文學上稱它們?yōu)椤盁崮拘恰薄?/p>
它們顯然是出現(xiàn)在了錯誤的位置上。行星是由一顆年輕恒星周圍的氣體塵埃盤（叫原行星盤）形成的。要形成一顆氣態(tài)巨行星，你首先需要一個數(shù)倍于地球質(zhì)量的固體核作為引力中心，氣體可以在其周圍積聚。其次，形成地點不能太靠近恒星，否則強烈的輻射會使塵埃和氣體蒸發(fā)。
所以，按以太陽系為標準的恒星系形成理論，這些熱木星不可能誕生于它們現(xiàn)在所在的地方，那么剩下的一個選擇是：它們一定是在其他地方形成，然后遷移到現(xiàn)今位置的。
它們是如何遷移的呢？理論家很快想出了一個答案：行星在成長過程中，由于它與原行星盤物質(zhì)的摩擦或碰撞，有時會使它失去平衡，導致向內(nèi)或向外做螺旋式的遷移。
這就是說，行星的形成是一個動態(tài)過程，而不是我們原先設想的那樣，所有行星都誕生于它現(xiàn)在所在的地方，并一直停留在那里。
大逆航。四顆巨行星在60萬年的時間里，通過原行星盤的遷移。距離以天文單位（AU）標記。在1 AU處（現(xiàn)在地球所在的軌道）的小行星帶后來凝聚成了四顆巖石質(zhì)行星。
這種動態(tài)過程有助于解釋我們觀察到的系外行星的怪異現(xiàn)象：像HD 37605 b這樣一顆接近其母恒星的氣態(tài)巨行星，它所遵循的是極扁的橢圓軌道，而不是通常的近圓軌道;還有開普勒-20，其中兩顆地球大小的行星在三顆巨行星之間穿梭;還有開普勒-90，它的八顆行星圍繞著一顆類似太陽的母恒星運動，但所有行星都被擠到了比日地距離還近的軌道范圍以內(nèi)。
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考察我們的太陽系，天王星和海王星這兩顆冰質(zhì)巨行星，雖然它們確實比木星和土星這兩顆更靠近太陽的巨行星小得多，但仍然顯得太大，之前的理論無法解釋它們是如何形成現(xiàn)在這個樣子的。
一個新的行星遷移理論為此提供了一個解決方案。這個理論說，所有這四顆巨行星最初誕生時都彼此離得較近，所以它們的塊頭都差不多大，后來在引力作用下，才各自遷移到了目前的位置上。
除了解釋天王星和海王星的大小之外，由巨行星遷移引起的不穩(wěn)定會席卷早期的太陽系，導致小行星紛紛墜向太陽，有一些可能被沿途的行星和衛(wèi)星捕獲。這就解釋了為什么月球表面遭受到那么多隕石的轟擊。這還可以解釋木星是如何獲得“特洛伊”小行星——這是兩群小行星，分別位于木星軌道前方和后方，與木星共用軌道，一起繞著太陽運行，總共大約有1萬顆。
在我們的太陽系，還有一個令人困惑的現(xiàn)象。太陽系有像地球這樣的小型巖石質(zhì)行星，也有像海王星這樣17倍地球質(zhì)量以及比它還大的巨行星，但介于兩者之間，中等大小的行星卻一個都沒有。難道它們不易形成嗎？可是放眼其他恒星系統(tǒng)，這些中等大小的家伙很多，構成了我們所知的一半以上的系外行星。那么，為什么它們在太陽系偏偏不見蹤影呢？
再一次，行星遷移理論可以做出合理的解釋。如果木星在某個時候向內(nèi)遷移，在遷移途中一路吞噬物質(zhì)，搶奪了本來用于其他行星形成的部分資源，那么剩余物質(zhì)就不足以形成中等大小的行星了。這也解釋了為什么火星小得奇怪，只有地球質(zhì)量的十分之一。
太陽系真的與眾不同嗎？
按照行星遷移理論，如果不加控制，木星會把水星、金星、地球推向更靠近太陽的地方，同時自己也會變成一顆熱木星。
這一切之所以沒有發(fā)生，可能正是太陽系跟其他恒星系不同的地方。因為我們的太陽系不是只有一個，而是有兩個超級“巨人”——除了木星，另一個是土星。正是這一點拯救了我們。土星的質(zhì)量約為木星的80%，這意味著它的引力對木星是一個很大的牽制。當木星往內(nèi)遷移時，土星也跟著向內(nèi)遷移，而且由于它的質(zhì)量小，比木星還快。隨著它們越來越近，兩者被“鎖定”在一塊，產(chǎn)生共振，這使它們的遷移速度減慢，甚至最后逆轉過來，土星牽引著木星往外遷移。
這種情況被稱為“大逆航”。雖然造成“大逆航”的原因是什么，我們并沒有充分研究清楚，但在動力學上是可能的。通過“大逆航”，木星和土星遷移到了現(xiàn)今的位置。“大逆航”在其他恒星系甚少發(fā)生，這可能也是太陽系“非正常”的一個原因。
不過，太陽系的“非正?！币部赡苁莻€假象。在系外行星中我們之所以發(fā)現(xiàn)更多的是熱木星，可能與我們的探測技術有關。因為目前探測系外行星的方法主要有兩種，一種叫“徑向速度法”，即通過探測母恒星受行星引力影響而產(chǎn)生的輕微擺動來發(fā)現(xiàn)系外行星。另一種叫“凌星法”，通過探測行星掠過母恒星表面時引起的恒星亮度的變化來發(fā)現(xiàn)系外行星。兩種探測技術顯然都是行星越大，越靠近母恒星，越容易被探測到，所以更有利于發(fā)現(xiàn)非常接近其母恒星的大型行星（即熱木星），而不利于發(fā)現(xiàn)接近其母恒星的巖石質(zhì)行星或者遠離其母恒星，像在太陽系木星位置上的巨行星。
如此看來，為了解太陽系的形成，弄清楚它是不是一個“非正?！焙阈窍?，我們還有很多工作要做。
值得慶幸的是，新計劃已經(jīng)在緊鑼密鼓的安排之中。歐洲航天局的“蓋亞任務”和歐洲南方天文臺的甚大望遠鏡都將以不同的方式尋找系外行星。歐洲航天局計劃2026年發(fā)射的柏拉圖太空望遠鏡是開普勒太空望遠鏡的后繼者，計劃中已被優(yōu)先安排在類太陽恒星系搜索系外行星。
同時，我們也希望對自己的太陽系有更多的了解。美國宇航局的“露西任務”目前正在前往木星“特洛伊”小行星群的途中。在為期12年的任務中，它將第一次近距離觀察它們的特征。如果“特洛伊”小行星群真的是行星遷移的結果，那么它們的組成可能會為早期太陽系的動態(tài)提供重要線索。
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柯伊伯帶本身被認為是早期太陽系中行星遷移的產(chǎn)物：一些在內(nèi)太陽系形成的小行星，由于受行星遷移的擾動，被拋射到遠離太陽的地方，形成了柯伊伯帶。
按行星遷移理論，隨著我們向外走，柯伊伯帶的天體應該漸進式地減少。但天文學家看到的情況卻與之相反，在離開太陽大約50倍日地距離的地方，天體的數(shù)量出現(xiàn)斷崖式的下降。這種現(xiàn)象被稱為“柯伊伯崖”。還有像矮行星塞德娜這樣的柯伊伯帶天體，它們出現(xiàn)在極扁的橢圓軌道上，也違背了傳統(tǒng)解釋。
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根據(jù)帕克的說法，我們的太陽是在一個星團中誕生的，與另一顆恒星的親密接觸把柯伊伯帶中較遠、較小的成員拉到了更遠的地方，同時也拉扁了其他較大天體的軌道。這種星團內(nèi)部恒星之間的互動，也導致太陽從其誕生的星團中被彈射出來，這解釋了為什么現(xiàn)在太陽周圍沒有其他恒星伙伴。
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