瘋狂的行星

科里·S.+鮑威爾

都說壞消息可以上頭條，所以我就開門見山啦。地球，作為我們在這個不友善的宇宙 中的支柱和港灣，處在風(fēng)雨飄搖之中。我們的太陽系是不穩(wěn)定的。俄羅斯車?yán)镅刨e斯克的居民在當(dāng)?shù)貢r間2013年2月15日9時20分親身經(jīng)歷了這種不穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)時，一個直徑15米多的小行星砸向地球大氣層，在小鎮(zhèn)上方爆炸。這次爆炸震碎了居民的窗戶，使當(dāng)?shù)匾患忆\廠的屋頂坍塌，造成1000多人受傷。

在感恩節(jié)那天，數(shù)百萬人看到了艾森彗星的錄像。在錄像中，這顆45億歲的老彗星像天鵝一樣沖向太陽，在幾小時內(nèi)淪為一團飛濺的碎石。

但這些事件都僅僅是有關(guān)太陽系如何形成和演化的最新理論圖景中的像素而已。碰撞和錯位不是偶然的異?，F(xiàn)象，而是一個基本的宇宙狀態(tài)。

法國尼斯天文臺的行星動力學(xué)專家亞歷山德羅· 莫比德利說：“行星并非想象的那樣簡單，永遠(yuǎn)保持安寧。行星形成時并不知道自己需要有一個良好的軌道以便穩(wěn)定運行幾十億年。因此，它們只是暫時穩(wěn)定，不會在恒星系的整個歷史中保持不變?！?/p>

地球在混沌中造就，在混沌中生存，也很可能在混沌中終結(jié)。

當(dāng)莫比德利用歡快的意大利口音給我解釋這一切時，我注意到他的姓具有嚴(yán)肅的含義——我們是宇宙混沌制造的。他與同事正在詳論有關(guān)我們這個天宅的最新發(fā)現(xiàn)：不穩(wěn)定是我們的自然狀態(tài)。幾個世紀(jì)以來，牛頓及其追隨者做了這樣的設(shè)想：太陽系就像神圣的發(fā)條在運轉(zhuǎn)。但在過去的10年中，高精度的數(shù)學(xué)模擬顯示出他是多么錯誤?？枴に_根的宣言很著名：“我們是恒星物質(zhì)構(gòu)成的?！?/p>

莫比德利說：“你可以環(huán)游銀河系，50億年后回來，然后發(fā)現(xiàn)水星沒有了，地球在一個偏心軌道上運行，這對生命是災(zāi)難性的?！蔽蚁耄藗兒苋菀子淇斓卣?wù)撜l也不可能活著去經(jīng)歷的事情。不過，在他開始列舉太陽系的變遷時，語氣一點兒也沒有變。

莫比德利說：“小行星帶、柯伊伯帶和奧爾特星云都不穩(wěn)定?！边@種不穩(wěn)定性是地球和其他行星形成時留下的混沌痕跡。車?yán)镅刨e斯克的流星來自小行星帶，也許起源于大約3萬年前的一次碰撞。在海王星軌道外，柯伊伯帶和奧爾特星云可以傾斜著將天體甩向我們，比如那里的無數(shù)個休眠彗星。這就是艾森彗星的來源。

在車?yán)镅刨e斯克災(zāi)難之后，莫比德利及其同事聚在一起，試圖理解這種不穩(wěn)定性暗示著什么。流星撞擊似乎比他們的預(yù)測頻繁很多。2014年，他們提出了最新結(jié)論：類似車?yán)镅刨e斯克事件出現(xiàn)的概率是他們先前預(yù)測的10倍。懸而未決的過去和現(xiàn)在之間沒有明顯的區(qū)別。

莫比德利以類似于量子不確定性的觀點取代了牛頓的發(fā)條論，認(rèn)為一切都是由生存概率決定的。隨著時間的推移，太陽系中的每一個可能會被破壞、分散或彈出的物體最終將會被破壞、被分散或被逐出。地球就是這么來的，這就是它今天存在的狀態(tài)。

太陽系在很大程度上是以目前的形式存在的（行星的組合及特點幾乎是注定的），在科學(xué)史上有很深的根源。牛頓之前可以追溯到13世紀(jì)的僧侶約翰內(nèi)斯·德·薩克羅伯斯科的著作，他用清晰的幾何模式描述了宇宙。你可以畫一條線，一直畫到亞里士多德的完美天體。令人驚訝的是，這個基本理念一直持續(xù)到太空時代。

回想起來，那個簡單而且令人舒心的觀點早在許多科學(xué)家認(rèn)識到發(fā)生了什么之前就開始得到闡釋。早在20世紀(jì)70年代，試圖模擬太陽系形成的理論模型不斷得出意外結(jié)果：行星瘋狂遷徙，朝向太陽或遠(yuǎn)離太陽，結(jié)果是一團糟?？屏_拉多州博爾德西南研究所太陽系動力學(xué)研究員凱文·沃爾什說：“這都是紙上文章，馬上就被忽略就像有些文件上漫不經(jīng)心的評論，沒有誰認(rèn)為行星遷移是一個重要的過程?！?/p>

這個觀點拖延了幾十年，直到一系列劃時代的發(fā)現(xiàn)迫使理論家重新思考。1995年，瑞士兩位天文學(xué)家探測到飛馬座51b，這是飛馬座內(nèi)繞著一顆昏暗的黃星運轉(zhuǎn)的行星，距離地球50光年。這是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆繞著類似太陽的恒星運轉(zhuǎn)的行星。這顆行星呈氣態(tài)，大小類似木星，理論上只能在遠(yuǎn)離其母星的冰冷區(qū)形成。但是，飛馬座51b 就在那里，緊貼著灼熱的恒星運行。天文學(xué)家能想出的唯一解釋是：這個星球在遠(yuǎn)方形成，然后由于某種未知原因突然轉(zhuǎn)向飛了進(jìn)來。他們將這個令人困惑的世界稱為“熱木星”，想知道它是否是偶然現(xiàn)象。

結(jié)果不是。一年之內(nèi)，美國的另一團隊發(fā)現(xiàn)兩顆更熱的類木星。目前，已有幾十個類似的天體被編入目錄。隨著天文學(xué)家搜尋水平的提高，他們開始找到一些原來不大可能想到的行星。有些行星在高度橢圓的軌道上，有些以陡傾角圍繞其恒星旋轉(zhuǎn)，甚至還有倒轉(zhuǎn)的。這樣的組合從物理角度是無法解釋的，除非行星在某個點劇烈遷移過。如果這個過程發(fā)生在其他恒星周圍，就可能發(fā)生在太陽系。沃爾什說：“那就是真的開始了?！?/p>

碰撞和位移不是偶然現(xiàn)象，而是宇宙的一個基本狀態(tài)。

2009年，沃爾什在尼斯天文臺做博士后，他與莫比德利是同事。沃爾什已經(jīng)是太陽系動力學(xué)專家，現(xiàn)在他著迷于移動行星的概念，埋頭探索這個過程是如何實現(xiàn)的。他專注于太陽系形成的最早階段，而莫比德利研究的是后期第二階段的不穩(wěn)定性。

讓行星在一個新生的太陽系數(shù)學(xué)模型中移動是非常容易的。正如那些理論家20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)的那樣，問題在于尋找行星不能移動的途徑。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和其他大型觀測臺收集到的數(shù)據(jù)表明，在這個大畫面里，嬰幼行星從一個圍繞剛剛形成的恒星旋轉(zhuǎn)的氣塵盤（天文學(xué)界稱其為原行星云）上出現(xiàn)，在最初的幾百萬年里，它充其量只是飄浮在這個盤里的一些碎片而已。沃爾什說，這片星云大致是行星重量的1000 倍，所以云氣可以將周圍的行星劇烈推動。他意識到，早期的太陽系一定更像碰碰車而不是發(fā)條，如果完全接受不穩(wěn)定觀點并用它得出邏輯推論，就可以解釋之前難以解釋的有關(guān)太陽系的許多問題，比如火星為什么那么小、小行星帶是如何形成的，以及地球的化學(xué)構(gòu)成為什么會與最初的形成模型預(yù)測的大相徑庭。

沃爾什把他的想法編織成一個理論，稱之為大航向模型，從一個全新的驚人角度對太陽系行星如何形成進(jìn)行了描述。目前，木星的軌道比地球?qū)?.2倍， 仍然維持11.8年這個節(jié)拍。但是沃爾什認(rèn)為，木星最初形成之處實際上比現(xiàn)在遠(yuǎn)很多，時間是太陽系形成的最初500萬年里，那時發(fā)生過一系列劇烈俯沖。它先受星云中致密云氣的影響向內(nèi)盤旋，到了火星現(xiàn)在的位置（大約是地球到太陽距離的1.5倍）；然后被新形成的土星猛拉一把，遷移到木星的當(dāng)前位置。整個過程花了大約50萬年的時間——對人類來講是永恒，但是對有4 6億年歷史的太陽系來講只是極快的瞬間。

這時我問，那么大的一顆行星徘徊時會發(fā)生什么？沃爾什回答說：“哦， 它帶來了地獄！這真是一個巨大的行星，它到處飛，就像一個巨大的雪犁，基本上清除了它前方的一切。”

你去游泳，或者喝一口水，都得益于太陽系根本的不穩(wěn)定性。

對我們來說，幸運的是在木星移動時地球還沒形成，否則地球會因墜入太陽或陷入黑暗中而被遺忘。這顆巨行星對太陽系內(nèi)部的影響更多是間接的。木星像雪犁一樣沖過大群冰冷的彗星和小行星，把這些富含水分的物體撒向正在成長中的地球。沃爾什說：“我們地球上的大部分水是木星向外遷移時散射的結(jié)果?！币虼?，無論何時你去游泳，或者喝一口水，都得益于太陽系根本的不穩(wěn)定性。

木星的遷移通過許多方式重塑了太陽系：移入時它清除了原來小行星帶上的一切，離開時又留下新的物體填充空間；它重組了彗星的布局，阻礙了火星的生長，使其成為一個寒冷的、空氣稀薄的世界；同時，木星在靠近地球一側(cè)沉積了足夠的物質(zhì)，因此地球與一個殘留的行星內(nèi)核發(fā)生碰撞，有觀點認(rèn)為，這個災(zāi)難的殘骸形成了月球。

木星完成漫游后，太陽系看起來穩(wěn)定了，但這只是表象而已。相反，它已準(zhǔn)備好了第二個偉大的劇變，這是一個已經(jīng)困惑了科學(xué)家半個世紀(jì)的變化。

美國航空航天局的“阿波羅”計劃取得了許多顯著的成績，而這個活動最偉大的饋贈是宇航員帶回的382千克月巖。在地球上，幾乎所有表明太陽系早期歷史的雜亂無章的證據(jù)都已被歲月、生物活動以及大陸漂移磨蝕，但月球上沒有這樣的事，它的表面完整地記錄著長久以來撞擊月亮的所有小行星的化學(xué)成分。在當(dāng)時，行星科學(xué)家認(rèn)為太陽系是從無序穩(wěn)定地走向有序的：太陽系形成后發(fā)生了許多沖撞，然后隨著月球清掃最后遺留的碎片而迅速結(jié)束。然而，寫在巖石里的故事根本不是那樣。

地球化學(xué)家福阿德·特拉、迪米特里· 帕帕納斯塔西歐和杰拉爾德· 瓦塞伯格仔細(xì)篩選月球上的材料時，發(fā)現(xiàn)由于沖擊而形成的大多數(shù)材料的年齡在39億年左右。月球在太陽系形成7億年之后顯然經(jīng)歷了另一場小行星的劇烈撞擊，研究人員稱其為終級月球災(zāi)難，現(xiàn)在叫作后期重轟炸期。無論怎么稱呼，它在書本上已經(jīng)停留了幾十年，讀者都知道它是太陽系的一大未解之謎。

2005年左右， 莫比德利決定尋找解決這個問題的突破口。他聯(lián)合其他三位研究者，包括哈羅德· 利維森（他是沃爾什在西南研究所的鄰居和合作者，曾結(jié)合后期重轟炸期與此前太陽系形成時的不穩(wěn)定性撰寫了一系列論文）提出了“尼斯模式”（莫比德利在這個法國小鎮(zhèn)工作）。該模式是目前關(guān)于太陽系第二波毀滅性撞擊最受認(rèn)可的解釋。

根據(jù)這一模型，在木星遷移回去和太陽噴出誕生星云之后，太陽系再沒找到穩(wěn)定的模式。在海王星的不遠(yuǎn)處有一個巨大的彗星云團在圍繞太陽運轉(zhuǎn)，緩慢而又無情地玩弄著引力的惡作劇，這就是現(xiàn)在的柯伊伯帶。

起先，海王星的軌道與木星的同步，保持著一種共振模式。木星繞太陽三圈，海王星繞太陽一圈。共振往往會保持穩(wěn)定。然而，在數(shù)百萬年前，這個彗星云團拖著海王星進(jìn)入一個新的軌道。莫比德利說：“當(dāng)海王星與木星結(jié)束了共振，太陽系‘砰的一聲，徹底不穩(wěn)定了。然后暴力演變開始?！焙Ｍ跣沁w移出來，把彗星甩向內(nèi)側(cè)；這些彗星到達(dá)木星，木星把它們甩到更遠(yuǎn)的地方；木星相應(yīng)地向內(nèi)遷移。

最終，土星、天王星和海王星進(jìn)入更遙遠(yuǎn)的軌道，木星進(jìn)入了比它現(xiàn)在更近的軌道。莫比德利的同事戴維· 奈斯沃爾尼提出這樣一個版本：太陽系最初有第5個巨大的行星，在這次騷動中被完全驅(qū)逐。如果事情真是這樣的話，它目前正獨自徘徊在恒星之間。大多數(shù)彗星被放逐到奧爾特星云，遠(yuǎn)離了這些行星。其他許多彗星和小行星沖向太陽，有不少撞上月球、地球和其他內(nèi)行星。

這個地獄般的時代的痕跡雖然已經(jīng)從地球上消失，但是有些狂舞的碎片仍然存在。奧伯林學(xué)院的布魯斯· 西蒙森正在追蹤那個時代殘留下來的最明顯的證據(jù)：滾珠大小的玻璃球（由小行星或彗星熔化的巖石形成）和高濃度銥元素（隕石上比地球表面更為常見）。地球的兩個最古老的巖床，一個在澳大利亞西部，另一個在南非，保存的信息至少可以上溯到34億年以前。在過去的20年里，西蒙森一直在那里勘探后期重轟炸期給地球帶來的沖擊及其留下的痕跡。

他得出的最有趣的結(jié)果是，小行星雨可能持續(xù)了相當(dāng)長的時間，直到25億年前或者更近才停止。 西蒙森說：“有證據(jù)表明，這是一個漸進(jìn)的傾斜，我們認(rèn)為這是有說服力的證據(jù)?！比绻f得對，小行星對地球的經(jīng)常性撞擊可能一直持續(xù)到了有生命的時代，大約在35億年前。他還發(fā)現(xiàn)他在技術(shù)上稱之為“大屁股沖撞”的撞擊跡象，比毀滅恐龍的撞擊大許多倍。

令人驚訝的是，他認(rèn)為生命在這樣的隕石雨中堅持生存了下來。他充滿信心地說：“我不是很熱衷所謂的沖撞和滅絕理論，沖撞造成滅絕的事件我們唯一可以明確的是白堊紀(jì)末（恐龍就是這個時期滅絕的）的那次?！彼J(rèn)為，總體而言，物種的滅絕更可能是巨大的火山爆發(fā)引起的，是由大陸和海洋結(jié)構(gòu)上的變化導(dǎo)致的。

在后期重轟炸期，小行星撞擊地球的頻率至少是現(xiàn)在的1000倍。 類似的情況還可能發(fā)生嗎？不可能。這是莫比德利和沃爾什堅定的回答。最早的兩次行星重置已經(jīng)將小行星帶和柯伊伯帶的天體清理了99.9%，剩余的不足以再制造一次3 9億年前的那種混沌。

水星會發(fā)瘋，開始遭遇金星，然后金星和地球的軌道也變得不穩(wěn)定起來。

那我們可以洗洗睡了？還是不行。莫比德利說：“類地行星不完全穩(wěn)定。水星是在不穩(wěn)定的邊緣，它會發(fā)瘋，開始遭遇金星，然后讓金星和地球的軌道變得不穩(wěn)定?！痹谀抢?，金星可能與地球相撞，地球也可能傾斜到一個全新的軌道，不再有生命。這種概率不大，但也不是極小，在以后的幾十億年里，其概率大約是1%。

我問莫比德利，這個概率意味著什么。他放下電話，停頓了一會兒，我在另一邊聽見他與辦公室的什么人確認(rèn)（“水星發(fā)狂的概率是多少？”），然后他跟我說：“是的，是1%。”他提醒我說，能夠引發(fā)整個災(zāi)難的微妙變化就像天氣一樣混亂不堪，難以預(yù)測。這樣的變化可能正在積聚。

我們回到太陽系的概率觀，即大自然在為這個系統(tǒng)建立一些內(nèi)在的不確定性。沃爾什說：“也許不確定性就是跟地球一樣復(fù)雜的行星的生活的一個部分，是混沌阻礙著我們真正理解它?！?/p>

目前一定有其他災(zāi)難性小的、更容易理解的不穩(wěn)定性在起作用。彗星還在引力的作用下從柯伊伯帶逃離，它是后期重轟炸期一個揮之不去的殘存。除了行星引力的惡作劇，陽光也產(chǎn)生輕微的壓力，即亞爾科夫斯基效應(yīng)，不斷改變小行星的路徑，保證撞擊的風(fēng)險永遠(yuǎn)不會消失。

但是，莫比德利對自己的研究并不感到沮喪或悲觀，我跟他越聊越能接受他的觀點。不穩(wěn)定性是一種機制，它將一般的和無聊的東西轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w而有趣的東西，無論是人還是恒星系。他說：“如果你想描述一個人的總體進(jìn)化，那么就是他出生了，然后他死了。如果你想詳細(xì)描述一個特定的人，就不能按照一個總體方案去做?？傮w方案是有的，但是有大量具體的細(xì)節(jié)會使你成為現(xiàn)在的你。對一個恒星系來說，也是一樣的。這就是混沌：對細(xì)微的變化極度敏感?！?/p>

對莫比德利來說，我們不是在與一個充滿敵意的宇宙戰(zhàn)斗，我們是它的一部分。這個天文學(xué)家顯然已經(jīng)花了很多時間思考他的研究對自己的意義。他依舊詩情畫意般地總結(jié)道：“恒星系的演化在找到最終的和平之前是踏著不穩(wěn)定的步伐前進(jìn)的。這幾乎可以說是一種佛教的宇宙觀：萬物向智慧、和平和穩(wěn)定進(jìn)發(fā)，但是都要經(jīng)歷革命性的重大事件?！?