太阳系两颗“超级地球”消失之谜

新研究表明，太阳系诞生后的一亿年里，足足有六颗巨型行星围着它转。也就是说，早期外太阳系的天体分布远比我们之前设想的更为密集。

如今太阳系仅拥有四颗巨行星，而其诞生初期会比现在多出一到两颗。图源：Silicon Worlds

新研究指出，太阳系八大行星及其数百颗卫星的轨道特征仍有诸多疑点难以解释。

研究团队模拟推演了早期太阳系的演化过程，共计完成百余组模拟实验。结果显示，外太阳系中曾存在另外两颗巨行星。它们一度在星际间四处运行，改变了其他行星的轨道，但最终被甩出太阳系，进入星际空间。

幼年时期的太阳系结构并不稳定。曾经有一段名为“巨行星不稳定期”（giant planet instability）的重组过程给太阳系来了个大洗牌，让木星、土星、天王星和海王星偏离了原始轨道，逐渐移动到离太阳更远的位置。

这套行星迁移理论便是著名的“尼斯模型”，由法国尼斯的多名天文学家于2005年首次提出。这种行星迁徙现象大概率是由巨行星与星子（行星形成后残留的原始天体碎片）的引力相互作用触发。2011年，学界又对该模型做出补充，提出太阳系曾存在第五颗巨行星，该天体最终因邻近行星的引力作用离开了太阳系。

不过，天文学家对这颗消失的行星知之甚少。本研究第一作者、约翰斯・霍普金斯大学应用物理实验室的科研人员马修・克莱门特（Matthew Clement）在接受采访时表示，为进一步探寻真相，本次研究“系统分析了巨行星近距离交会对其卫星轨道稳定性的影响”。

重现宇宙演化历程

研究人员借助计算机模型模拟早期外太阳系的状态，每组模型都追踪了2000万年间各大巨行星与上千颗星子的运行轨迹。最终，他们从一个包含十万组模拟数据的资料库中筛选出122组结果，它们最终形成的天体布局与如今太阳系巨行星的分布大体相近。其中约五分之二的模拟设定初始状态为五颗巨行星，其余则设定为六颗。克莱门特指出，随后团队在保留所有巨行星卫星的前提下，重新推演了天体交会的全过程。

木星及其最大的四颗卫星。从上至下依次为：木卫一、木卫二、木卫三、木卫四。图源：美国航天局 / 喷气推进实验室等

模拟结果显示，这一颗或两颗未知巨行星在各大天体之间不断穿梭碰撞，最终被彻底抛出太阳系。该研究还得出了一个出乎意料的结论：在设定存在两颗额外冰巨行星的模拟场景中，木星的卫星轨迹大多能保持稳定；而仅存在一颗额外巨行星时，天王星的卫星体系更为稳固。也就是说，木星和天王星的卫星群，似乎是在两次不同的天体动荡中得以留存。

科学家介绍，木星的三颗大型卫星木卫一、木卫二与木卫三，如今维持着1:2:4的运转周期比例：木卫一绕木星公转四周时，木卫二公转两周，木卫三恰好公转一周。研究人员认为，这般精妙平衡的运行状态，说明木星卫星自形成后基本未受扰动，这也侧面印证了太阳系早期曾存在两颗额外冰巨行星的观点。

行星间的引力拉锯战

研究推测，这些额外的行星在气态巨行星与天王星之间来回运动时，打破了天王星卫星群的运行平衡，引发卫星相互碰撞。撞击导致部分卫星碎裂，冰等易挥发物质随之汽化，之后又重新凝结堆积在星体残骸之上。这一现象或许能解释，为何天卫五冰层占比要比天王星的其他卫星高出五成。

不过这并非唯一可能性。有两组模拟场景演化出了和现代太阳系相似的格局，且当中仅出现一颗未知冰巨行星。这两次模拟中，木星与天王星的卫星都得以安然度过同一次行星大洗牌。因此研究人员表示，还需要开展更多模拟实验，才能确定太阳系早期究竟多出一颗还是两颗冰巨行星。

目前，人们仅能推断出这些未知行星的质量，其余信息都无从考证。在五颗巨行星的模拟场景中，那颗未知行星的质量与海王星相近；而在六颗巨行星的模拟中，那两颗行星的质量介于地球与海王星之间，属于 “超级地球”。

亚利桑那州图森市行星科学研究所资深科学家、论文合著者内森・凯布（Nathan Kaib）表示：“既然这些未知行星的质量和天王星、海王星相差不大，它们的物理特征大概率也与这两颗行星相似。”

克莱门特称，研究团队暂无计划专门搜寻这些远走高飞的行星，但会持续研究天王星的卫星，寻找星体曾遭受干扰的痕迹，同时探究卫星轨道发生变动后会引发什么样的变化。

美人鱼星云超新星遗迹 | 图片来源：NASA

来源：牧夫天文

编辑：ThymolBlue

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