太阳系be like: 为什么不能做个安静的美男子？

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编译：王茸

校对：王婧彧 赵炜

审阅：王清山

美编：徐玖坤

后台：胡永葳

密歇根州立大学的雅各布森（Seth Jacobson）和他在中国、法国的同事们最近公布了一个新的理论，可能有助于解决一个星系谜题，那就是我们的太阳系是如何演变的。具体来说，那些气态巨头们——木星、土星、天王星和海王星——是如何到达它们所在的位置，最终像现在这样围绕太阳运行的？

这项研究还对其他问题的解答提供了可能性，比如地球这样的类地行星是如何形成的，以及是否有第五个气态巨行星潜伏在804亿公里之外等等。

“我们的太阳系并不看起来总是像今天这样。历史上，行星的轨道发生过巨大的变化，”自然科学学院地球和环境科学系助理教授雅各布森说。“但是我们可以弄清楚发生了什么。”

这项研究于4月27日发表在《自然》杂志上，为其他太阳系和我们的太阳系中的气态巨行星的状况提供了解释。

给力的尼斯模型

恒星是从巨大的、旋转的宇宙气体和尘埃云中诞生的。即便我们的太阳点燃以后，早期的太阳系仍然充满了原始的气体盘，它们在行星，包括气态巨行星的形成和演化中发挥了不可或缺的作用。

20世纪末，科学家们开始相信，气态巨行星最初是以整齐、紧凑、间隔均匀的轨道绕着太阳运行。然而，木星、土星和其他星体却早已稳定在相对椭圆、倾斜和分散的轨道上。

因此，现在研究人员的问题是，为什么会这样呢？

2005年，一个国际科学家小组在《自然》杂志的三篇里程碑式的论文中探讨了对这个问题的答案。这个方法最初是在法国尼斯提出的，因此被称为尼斯模型。该模型认为这些行星之间存在着不稳定性，一组混乱的引力相互作用最终将它们置于当前的轨道上。

雅各布森说：“这是人们对早期太阳系思考方式的一次结构性转变。”

尼斯模型目前仍然是一个领先的解释方法，但在过去17年中，科学家们发现了关于是什么引发了尼斯模型的不稳定性的新的问题？例如，人们最初认为，气态巨行星的不稳定性发生在孕育太阳系的原始气体盘散开后的数亿年。但是较新的证据，包括在阿波罗任务取回的月岩中发现的一些证据，表明这个过程发生得更快。这也引发了新的问题，即地球所在的内太阳系是如何演化的。

雅各布森与中国浙江大学的刘倍贝和法国波尔多大学的肖恩-雷蒙德（Sean Raymond）合作，找到了一个对这种不稳定性如何开始的修正性解释。该团队提出了一个新的触发因素。

雅各布森说：“我认为我们的新想法可以真正平复这个领域的许多争论，因为我们提出的是一个非常自然的答案，来回答巨行星不稳定性是何时发生的。”

新触发因素

这个想法始于雷蒙德和雅各布森2019年的一次交谈。他们当时的理论是，气态巨行星可能是因为原始气体盘的蒸发方式而设定在它们目前的路径上。这可以解释行星是如何在太阳系演化过程中比尼斯模型最初假设的时间更早地扩散开来的，那时甚至可能没有不稳定因素将它们推向那里。

“我们想知道是否有必要用尼斯模型来解释太阳系，”雷蒙德说，“我们提出了这样一个想法，即巨行星可能不需要不稳定机制的解释，就会在圆盘消散时通过‘反弹’效应散开”

雷蒙德和雅各布森随后联系了刘倍贝，这位来自中国的天文学者通过对气体盘和大型系外行星——其他太阳系的行星——进行的广泛模拟，率先提出了这种反弹效应的想法。

“我们太阳系的情况略有不同，因为木星、土星、天王星和海王星都分布在更宽的轨道上，”刘倍贝说。“经过几次反复的头脑风暴，我们意识到，如果气体盘从内向外消散，这个问题可以得到解决。”

研究小组发现，这种由内向外的耗散为尼斯模型的不稳定性提供了一个自然的触发因素。

雷蒙德说：“我们最终加强了尼斯模型，而没有毁掉它。这非常有趣，我们测试那些先入为主的想法，并遵循结果，无论结果是什么。”

有了新的触发因素，不稳定性开始时的画面看起来是一样的。仍然有一个新生的太阳被气体和尘埃云包围着。少数年轻的气态巨行星围绕着恒星，以整齐、紧凑的轨道穿过那片云。

“所有的太阳系都是在气体和尘埃盘中形成的。这是恒星形成的一个自然副产品，”雅各布森说。“但是当太阳启动并开始燃烧它的核燃料时，它产生了阳光，加热了圆盘并最终将它从里到外吹走。”

这在以太阳为中心的气体云中形成了一个越来越大的洞。随着这个洞的扩大，其边缘扫过每一个气体巨行星的轨道。根据研究小组的计算机模拟，这种转变极有可能导致了巨行星的不稳定性。与尼斯模型最初的数亿年时间线相比，这些大行星转移到它们目前轨道的过程也进展得很快。

刘倍贝说：“不稳定性早在太阳气态盘消散时就发生了，大概在在太阳系诞生后的几百万年到一千万年内。”

这个新的触发因素也导致了外太阳系和内太阳系的物质混合。地球化学研究表明，这样的混合要在我们的星球还在形成过程中时发生。

“这个过程真的会搅动太阳系内部，地球可以从中成长，”雅各布森说。“这与观察结果相当一致。” 探索不稳定性和地球形成之间的联系是该小组未来工作的一个主题。

最后，该小组的新解释也适用于我们星系中的其他太阳系，在那里，科学家们已经观察到气态巨行星以类似于我们在自己星系中看到的配置围绕着它们的恒星运行。

雅各布森说：“我们只是我们银河系中的一个太阳系的例子。我们所展示的是，不稳定性以一种不同的方式发生，而且还是一种更普遍和更一致的方式。”

外太空的行星九

虽然该团队的论文没有强调这一点，但雅各布森说，这项工作对有关我们太阳系的最流行和偶尔会引发激烈争论的一个问题有关：太阳系到底有多少颗行星？

目前，答案是八颗，但事实证明，当早期太阳系有五颗气态巨行星而不是四颗时，尼斯模型的效果稍好。遗憾的是，根据这个模型，那颗额外行星在不稳定时期从我们的太阳系中被锤击出去，这种“抛弃”有助于其余的气态巨行星找到它们的轨道。

然而，在2015年，加州理工学院的研究人员发现有证据表明，可能还有一颗未被发现的行星在离太阳约804亿公里的太阳系外围活动，比海王星远了约756亿公里。

仍然没有具体的证据表明这颗假设的行星——绰号X行星或9号行星——或尼斯模型的“额外”行星确实存在。但是，如果它们真的存在，它们会不会是同一颗？

雅各布森和他的同事们无法用他们的模拟方法直接回答这个问题，但他们可以做下一件事了。知道他们的不稳定性触发因素正确地再现了我们太阳系目前的情况，他们可以测试模型是否从四个或五个气态巨行星开始效果更好。

“对我们来说，如果你从四个或五个开始，结果是非常相似的，”雅各布森说。“如果你从五个开始，你更有可能以四个结束。但是如果你从四个开始，轨道最终会匹配得更好。”

无论如何，人类应该很快就会找到一个答案了。维拉·鲁宾天文台计划在2023年底前投入使用，如果九号行星真的存在的话，应该能够发现它。

“九号行星极具争议性，所以我们没有在论文中强调它，“雅各布森说，“但我们确实喜欢与公众谈论它。”

这提醒我们，我们的太阳系充满了活力，仍然充满着待解的谜题和新发现。

参考文献：

https://www.sciencedaily.com/releases/2022/04/220427154058.htm

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