01.23 太阳系少了成员,谁是罪魁祸首?

如果你想制造出和我们差不多的另一个太阳系——有中心恒星、岩石行星和气态巨行星——开始时你只需要一团够冷够密的气体分子云,它就会在自身重力作用下坍缩。之前几代恒星会将产出的重元素返还回宇宙中去,所以只要它们的数量足够多,而你又让这些新星团在物质最集中的地方形成,你就会拥有所有必要的原材料,来制造一个物质丰富的恒星与行星系统。

太阳系少了成员,谁是罪魁祸首?

原行星概念图 图源:scitechdaily

必然的是,将要形成新恒星和行星系统的物质云会先向同一方向坍缩,像做薄煎饼一样形成一个盘面,其他的物质会环绕其运行。中心区域会生成系统中质量最大的天体——典型的比如恒星——而外围区域会生成行星,包括气态巨行星、岩石行星、小行星、彗星、卫星等。

以上是简单易懂的部分,所有人对此都意见一致。但其中的细节复杂得可怕,因为行星并不会像太阳系看上去的那样,始终呆在它们形成的地方。事实上,年轻的太阳系处于不稳定的状态中,行星会因引力而相互作用,增积物质,合并到一起,还偶尔会把某个行星世界彻底驱逐出该系统!

太阳系少了成员,谁是罪魁祸首?

15年前的2005年,一系列论文关注了太阳系的形成过程。三支独立的研究团队都得出结论说,巨行星先形成并且迁移过了很长的距离,而木星则从内太阳系一路向外,从小行星带以内清除了大量的物质。天王星和海王星可能交换了位置,而木星和土星则受最外面行星的引力作用,最终向外移动。这个尼斯模型(以法国的尼斯城命名)一直是太阳系形成过程的最佳模型——直到不到一个月之前

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尼斯模型 图源:everythingselectric

2011年,科学家意识到需要存在第五颗巨行星来完全解释外行星的行为,而这样一颗行星很可能被木星或土星的引力作用驱逐了出去。这一模拟发现如果木星和土星的卫星像成份显示的那样,和母行星同时形成,那么几乎绝对是木星驱逐了那颗行星。因为木星最外部的大卫星木卫四在这样的作用中还能够留在环绕木星的轨道里,而土星的大卫星土卫八很可能会被驱逐走。像博士生瑞安·克劳迪尔说的:

“最终我们发现,木星能够在驱逐出第五颗巨行星的同时,保留木卫四轨道上的卫星。另一方面,土星就很难做到这一点,因为土卫八会太不稳定,导致计算出的轨道难以符合目前情况。”

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土卫八上看土星的概念图 图源:solarsystem-nasa

但即便需要第五颗巨行星,尼斯模型在一定的调整后仍可能是合理的:巨行星,尤其是木星,可能穿过了太阳系内部,清除了大量的碎屑物质并且把岩石行星拉离了太阳。而它穿过小行星带时带来了水星、金星、地球和火星上的末次大撞击。

为了弄清这种可能性是否存在,我们的目光不能只局限于自己的太阳系;目前,我们能看见的只有幸存者。取而代之的是,我们得回到模拟模型上去,弄明白什么样的条件才能精确地导致外行星今天的排布,然后看看它们会对内行星产生什么影响。

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木星和卫星 图源:livescience

那就是内森·A·凯布和约翰·E·钱伯斯在最新的论文里提出的新观点,而它很可能带来了尼斯模型的末日:

如果外行星这样穿过了太阳系内部,85%的可能性是最终的内行星少于四颗。

在大多数的确能够留下四颗内行星的模型里,它们的轨道要么偏心率太大,要么太倾斜,不符合我们看见的太阳系。

他们发现尼斯模型下内外行星最终都处于正确位置的概率极小,出现可能不到1%。

换句话说,即使一颗外行星——就算是木星——曾从太阳系内部穿过,那么留存下来的内部岩石行星也很可能不是我们今天的这四颗。类地行星——尤其是水星和火星——太脆弱了,几乎总会被驱逐出太阳系。

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太阳系成员 图源:britannica

与之前不同的是,最新研究表明,尼斯模型中最有用的,可能就是它可以解释外部的气态巨行星如何来到它们现在的位置,而它几乎绝对不适用于内部行星。岩石行星只能在巨行星离开太阳系内部之后形成。就像凯布和钱伯斯说的那样:

“这些小可能性带来了这样一种研究预期:巨行星不稳定的移动在类地行星形成之前完成。这一图景表明,巨行星的移动不是末次大撞击的原因,而类地行星形成时,巨行星已在它们目前的位置上了。”

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末次大撞击概念图 图源:wordpress

这不可避免地带来了一种可能:我们的太阳系早期不仅很可能存在五个甚至六个巨行星,而且可能还有许多内部的类地行星,它们早在太阳系年轻时就被驱逐了出去。我们今天看见的是幸存的与晚出现的行星的组合,而我们也很可能弄丢了我们太阳系的很多早期成员。有时候,还是晚些穿着时髦参加派对比较好。


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2.天文学名词

3. forbes - Alkaid虞

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