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地球诞生前,巨行星们有段不太和谐的过往

科学家提出太阳系巨行星轨道演化新模型

2022-05-13 中国科学报 倪思洁 崔雪芹
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太阳像巨型吹风机一般吹走原行星盘中的气体。图片来源:刘倍贝

  太阳是整个太阳系的中心。八大行星各自守在自己的轨道上,相安无事地绕着太阳转动。但天文学家一直在尝试回答一个问题:太阳系行星轨道是怎么变成现在这样的?

  浙江大学研究员刘倍贝与法国波尔多大学、美国密歇根州立大学的合作者提出了太阳系巨行星轨道演化的新模型。该模型回溯了巨行星的过往史,揭示了它们之间一段不“和谐”的过往,并认为这段历史发生在地球诞生之前。相关成果近日刊登于《自然》。

  巨行星的轨道曾经发生过剧变

  在很久以前,星际空间中的气体分子云坍缩,中心部分形成了太阳;残余物质一边被太阳炙烤着,气体不断蒸发,一边绕太阳旋转。一个扁平的、充满气体的盘由此出现。

  行星在盘内成长,并与盘中气体相互作用,轨道逐渐圆化并向着太阳迁移。对于盘外沿的太阳系土星、木星、天王星、海王星这四大巨行星来说,它们通过向内的迁移,逐渐在各种力量的拉扯中找到了平衡点,运动轨迹也慢慢平稳、规律起来。

  “就像高速路上正常行驶的车辆,大家相对匀速,相互保持着适当的距离。”论文通讯作者和第一作者刘倍贝告诉《中国科学报》。

  但奇怪的是,按照这个想法推演,位于太阳系外侧的四大巨行星轨迹并不会像如今这般。“现今四大巨行星之间的距离比太阳系早期更远了。”刘倍贝说。

  天文学家推测,在行星轨道演化的过程中,巨行星轨道曾经发生过剧变。“就像车辆突然变速发生碰撞追尾等事件一样,车辆的间距被打乱了,原先有序的状态被打破了。”刘倍贝说。

  可是,如此一来,又一个新的问题出现了:是什么让巨行星轨道发生了剧变?

  著名模型留下的困惑

  对于巨行星轨道的剧变问题,天文学家提出过各种模型,其中最为流行的叫“尼斯”模型。

  这个模型出现于2005年。当时,模型的创立者连发3篇《自然》论文,在天文学界轰动一时。模型也因为创立者来自法国尼斯蔚蓝海岸天文台而得名。然而,在轰动的同时,尼斯模型依然留有一些困惑。

  目前天文学家认为,太阳系诞生早期,气体盘演化到晚期时,太阳辐射的高能光子直射在气体盘上,形成的强劲光压首先吹散了靠近太阳的气体,使盘的内部出现中空结构,之后,光压又由内向外逐步驱散盘中的剩余气体。

  “这一过程被称为‘光致蒸发’。太阳好比一个巨型吹风机,不断吹走盘中的气体。”刘倍贝说。

  尼斯模型认为,盘里的气体耗散后,巨行星与外部的星子盘(由直径数公里到上百公里的星子组成)相互作用并不断交换轨道能量,最终引发了巨行星轨道的动力学不稳定。

  该模型还由此判断,因为巨行星与遥远星子交换能量的过程十分缓慢,所以巨行星轨道的剧变发生在太阳系诞生数亿年后,属于“晚期不稳定”。

  “地球在太阳系诞生后的3000万年至1亿年间长成,如果像尼斯模型预期,那么巨行星轨道不稳定发生在地球形成之后,产生的强烈扰动会破坏地球轨道,而这与现今观测到的情况不符。”刘倍贝说。

  他表示,巨行星的动力学不稳定会打破太阳系原有的平静,它们强大的引力扰动会迫使周围小天体不断撞向其他行星和卫星,在星体表面留下陨石坑。但科学家发现,月球陨石坑有着广泛的年龄分布,小行星撞击事件并没有在某一段时期突然增多。

  前人忽略的关键细节

  尼斯模型留下的困惑,也是刘倍贝一直在思考的问题。2019年的一天,刘倍贝收到一封来自海外的电子邮件,这封邮件促成了他的此次研究。

  “我们怀疑,太阳系巨行星轨道发生不稳定的时间有可能比尼斯模型预期的更早。”邮件中,国际上两位行星动力学专家把他们的想法告诉了刘倍贝。

  这两位专家分别是法国波尔多大学教授肖恩·雷蒙德和美国密歇根州立大学教授塞思·雅各布森,他们后来成为了刘倍贝此次研究的合作者。

  两位教授都看到了刘倍贝等人此前发表于《天文学与天体物理学》的论文。在论文中,刘倍贝等人研究了“为什么在其他的多行星系统里,很多超级地球行星并不像太阳系行星这样平稳而有序地运转”。他们提出一种“反弹”设想,认为原行星盘气体耗散导致行星轨道发生了重大变化,并使其脱离平稳状态。

  雷蒙德和雅各布森觉得论文极其启发性,并决定给通讯作者刘倍贝发一封邮件。此后他们通过电子邮件、会议等各种形式开始了交流,随着讨论越来越深入,三人都感觉这项研究意义重大。

  讨论中,他们发现,前人的研究忽略了一个关键细节——气体盘耗散过程中,行星会受到气体作用力而发生反向运动。“这一过程类似于打羽毛球,挥拍击打来球,羽毛球改变原有轨迹,反弹后随着拍面一起向外运动。”刘倍贝说。

  通过理论计算,他们发现,由于靠近太阳内边界的地方炙热,气体快速耗散,当气体盘内边界因光致蒸发向外扩张时,原本向内迁移的行星改变运动方向,随内边界共同向外移动。

  由于太阳系巨行星的质量不同,它们“反弹”后向外迁移的速率也不同,从而打破了彼此间原本和谐稳定的轨道距离。

  发生在地球形成之前

  根据设想和理论计算数据,他们进行了巨行星轨道演化模拟实验。

  实验结果显示,按照“反弹”模型的设想,原初四大巨行星与另一个冰巨星在气体盘耗散时,发生了大幅度轨道变化,冰巨星与木星发生碰撞后被甩出太阳系,而达到稳定的四大巨行星的最终轨道分布与现今观测吻合。

  此外,研究还表明,巨行星轨道的不稳定发生在太阳系诞生后约300万到1000万年间。“也就是说,不同于尼斯模型的推测,我们认为,在地球诞生之前,巨行星轨道的不稳定情况就已经发生了。”刘倍贝说。

  “巨行星轨道演化对其他行星、卫星和小天体的演化,地球以及生命的起源、宜居特性等多方面影响深远。”刘倍贝认为,新模型可以更好地解释后续形成的类地行星的质量和轨道构型,这些都是其有别于传统模型之处。

  对于这一研究成果,匿名评审人认为:“该模型很可能是太阳系演化理论中缺失的部分,文章新颖且意义重大。”

  “未来我们还将进一步探究巨行星轨道演化对地球形成及其水起源的影响等问题。”刘倍贝说。

  相关论文信息:

  https://doi.org/10.1038/s41586-022-04535-1

  https://doi.org/10.1051/0004-6361/201630017

打印 责任编辑:阎芳
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