土星有一天可能会离开太阳系,独自漂进星际空间。研究者在模拟太阳数十亿年后的晚年时,得到了这样的结局:太阳排出物质时受到的一连串小反冲,足以扰乱外侧行星。可它又没碰到土星,怎么把土星赶走?
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哈勃拍摄的土星。被甩出太阳系,是本次研究模拟得到的一种未来结局。图:NASA、ESA、J. Clarke、Z. Levay,经Daily Mail。
红巨星膨胀、内侧行星遭殃,是太阳晚年常被提起的画面。木星、土星、天王星和海王星离得远,照理说更容易躲过吞没。
可逃过太阳的外层,不等于保得住原来的轨道。
太阳一边减重,一边把自己推了一下
大约50亿年后,太阳会进入红巨星阶段。随后,它会向太空散失大量外层物质,最终留下致密的白矮星核心。
如果这些物质缓慢、平顺地离开,外侧行星的轨道会随太阳引力减弱向外扩展。在研究者的对照模拟中,四颗巨行星依然有序运行,像把今天的太阳系整体放大了一圈。
但真实恒星的物质可能一团团喷出,而且每一团的方向不同。物质往一侧出去,恒星就会受到反方向的推力,原理和火箭排气相同。
加州理工的吉姆·富勒此前正是用这种过程,解释白矮星为什么会获得额外运动速度:每次反冲很小,多次累积,恒星最终仍可能明显偏离原来的运动状态。方向随机,也不会保证最后恰好全部抵消。
这一次,富勒与同事把太阳和四颗巨行星放进了长期模拟。
在一个代表性的模型设定下,太阳经历约4600次抛射,每次反冲带来的速度变化中位数约为每秒7米。
每秒7米,听起来很小。但太阳的速度一变,行星相对于太阳的运动状态也跟着变了。接连的小扰动可以让轨道变得更扁长,使原本隔开的行星有机会近距离相遇。
最后把行星甩走的,还可能是另一颗行星
近距离相遇时,行星会通过引力交换能量。一颗可能向内走,另一颗获得更多能量,甚至挣脱太阳的束缚。
所以,“甩出去”不必理解成太阳喷出一团气,直接把土星吹走。太阳的反冲先扰乱轨道,行星之间的引力接力放大了后果。
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模拟结果图。黑色横线是平顺失质量的对照,彩色曲线表示不同抛射规模;越往下,保持稳定的系统越少。横轴从白矮星形成时起算,图中的“十亿年”不是从今天起算。图:Batygin、Fuller、Adams,2026,经Daily Mail。
有的模拟让土星被逐出,有的让天王星和海王星交换内外位置,还有一些看起来暂时安稳的系统,过了很久才乱起来。
在代表性抛射规模下,把系统演算到白矮星形成后30亿年,约九成出现失稳;其中有些甚至在太阳尚未完成转变时,就发生了剧烈散射。这是给定模型条件下的一组结局,不是对我们这一个太阳系开出的概率保证。
过去一种估计把太阳晚年之后的失稳,归于路过恒星的引力干扰;新模拟里,仅靠太阳反冲和行星间的引力,系统就能自行乱起来。
离开恒星的行星,会变成什么?
如果一颗行星被抛出,它仍是一颗天体,却不再绕原来的恒星运行,成为自由漂浮行星,也常被叫作“流浪行星”。
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自由漂浮行星的艺术示意,用来展示没有母恒星相伴的行星。图:NASA/JPL-Caltech,经Daily Mail。
这项研究给出了它们的一种可能来路:曾经规规矩矩绕着恒星运行,后来在恒星晚年的轨道混乱中,被其他行星逐出家门。
如果能看一段太阳系未来的模拟,你更想看土星被抛出的过程,还是幸存行星最后会排成什么样?
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