太阳系都有那些成员丢失了?

2015年11月17日|随笔心情| 0 条评论 |标签:

如果我们想创造一个太阳系,想创造一个拥有中央恒星、岩石行星和气体巨行星的天体系统,只要让一团分子气体云冷却到足够低的温度,并将它的密度提高到足以使其在自身引力的作用下坍缩。只要生产这些物质的上一代恒星拥有足够多的重元素,只要孕育新生恒星的星团物质足够集中,我们就拥有了创造一个丰富多彩的恒星系统所需的全部材料。

聚集起来的物质会向中央汇拢,然后像摊大饼一样,在四周形成一个圆形的物质盘。物质盘的中央将出现这个天体系统中质量最大的天体——通常是一颗恒星——外侧则会出现形形色色的气体巨行星、岩石行星、小行星、彗星和卫星。

这是一种比较简单的理论设想,也得到了所有人的认可。但是细节如何却又千差万别,因为行星诞生后不会一直老老实实地呆在原来的位置。年轻的太阳系是躁动不安的,行星间存在着各种引力互动,横飞的物质相互合并,甚至整个行星都会被甩出太阳系!

十年前,随着一系列与太阳系形成有关的论文发表,三个不同的科研小组都得出结论说,太阳系的巨行星是首先形成的,并且作过大范围的轨道迁徙。木星曾经进入过内太阳系,横扫了小行星带的大部分物质。天王星和海王星可能交换过位置,木星和土星最终被外行星的引力拉到了现在的地方。这个就是所谓的“尼斯模型”(以法国城市尼斯命名),它风靡一时,成为排名第一的太阳系形成理论,直到前不久。

2011年,科学家意识到,当今太阳系外围行星的布局和行为令人费解,除非太阳系内曾经存在过另一颗巨行星,一颗已经被木星或土星的引力甩出太阳系的行星。最新的模拟结果显示,如果木星和土星的卫星确如它们的成份指出的那样,是和木星和土星同步形成的,那么几乎可以确定这个罪魁祸首是木星。因为如果发生过那样的事,只有木星最外侧的大卫星木卫四能够留在木星轨道上,土星的大卫星土卫八会被甩出。博士生Ryan Cloutier这样说:
Nathan A. Kaib和John E. Chambers在最新发表的论文中所做的,就是这个事。而分析结果给尼斯模型带来的,几乎是致命一击:

外行星到内太阳系转一圈后,内行星的数量有85%的概率会少于4个。
如果内行星的数量是4个,那么它们的轨道偏心率和倾角会和今天的实际情况差很多。
如果我们想同时调整内行星和外行星来建立正确的布局,成功的概率小于1%。

换句话说,即便只有一颗外行星——即便就是木星——曾经向内太阳系迁徙,内太阳系岩石行星的数量也达不到我们今天所见的4个。类地行星非常脆弱,因此几乎可以肯定会被甩出太阳系,特别是水星和火星这样的天体。

NASA / JPL-加州理工学院

最新的研究表明,尼斯模型中唯一值得肯定的是它让我们了解了外行星,也就是气体巨行星是如何获得今天这样的布局的;而它的内行星理论多半有问题。大部分岩石行星很可能是在巨行星离开内太阳系后才形成的。正如Kaib和Chambers所说:

“这提升了木星在类地行星形成前扫荡内太阳系的可能。巨行星的不稳定不是“晚期大轰炸”的根源,类地行星是在巨行星完成当前布局后才出现的。”

Daily Times Gazette

这就导致我们能够得出这样一个不可思议的结论:早期太阳系不仅可能存在过五个甚至六个气体巨行星,甚至有过更多的内行星和类地行星。我们今天看到的内行星中有些是幸存者,有些是后来才出现的。我们丢失了早期太阳系的大部分成员。

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