木星：太陽系的塑造者和行星殺手

關(guān)于木星，我們知道許多事情。這顆氣態(tài)巨行星的質(zhì)量是地球的317.8倍（這個數(shù)字也相當(dāng)于太陽系中其他行星總質(zhì)量的2倍），擁有4顆大型衛(wèi)星和許多小衛(wèi)星，而且自轉(zhuǎn)速度驚人——木星上的一“天”不足10小時。

但是，木星仍在不斷地給我們帶來驚喜。誰曾想到這顆由氫和氦構(gòu)成的巨行星其實有著驚人的破壞力，幫助塑造了今天我們所知的整個太陽系？

現(xiàn)在，8顆行星正在以規(guī)則且固定的軌道繞太陽公轉(zhuǎn)。水星位于最內(nèi)側(cè)，向外依次是金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。然而，這一排列并非一貫如此。雖然現(xiàn)在的一切看似有序，但有一些異常已經(jīng)困擾了天文學(xué)家很長一段時間。

其中的一個問題就是火星。當(dāng)天文學(xué)家試圖利用計算機來模擬太陽系最內(nèi)層4顆行星的形成時，火星的質(zhì)量要么比現(xiàn)在大10倍，要么遠比實際中更加靠近太陽?？茖W(xué)家一直在思考，是什么東西扼制了火星的生長并改變了它的軌道。一些天文學(xué)家認為，答案就是木星。

多年來，不同的研究一直在嘗試為這個問題提供解答。2009年，美國加州大學(xué)洛杉磯分校的布拉德·漢森提出了一個理論，認為太陽系中的固態(tài)物質(zhì)僅分布在一個特定的范圍之內(nèi)。他認為這個邊界在距離太陽1天文單位處，在這之外的行星會因為缺少物質(zhì)而無法生長。

這個想法很有效——1天文單位是地球到太陽的距離，這可以解釋為什么地球和金星的質(zhì)量都遠大于火星?；鹦堑教柕木嚯x為1.5天文單位，位于漢森提出的邊界之外，使得火星因為缺少固態(tài)物質(zhì)而無法生長變大。這聽起來似乎是一個完美的解釋。然而，有一個關(guān)鍵要素缺失了?！皾h森并沒有解釋他是如何得出這一邊界所在位置的，”天文學(xué)家亞歷山德羅·莫爾比代利說，“他也無法解釋遠在1天文單位之外的氣態(tài)行星和小行星帶?！?/p>

為了解釋火星的低質(zhì)量，莫爾比代利與肖恩·雷蒙德、凱文·沃爾什、阿維·曼德爾和戴維·奧布萊恩一起，開始更加仔細地審視太陽系中最大的行星——木星。他們最終提出了大遷徙假說，認為木星是太陽系中形成的第一顆行星，它在一生中進行了兩次遷移：一開始是向內(nèi)朝太陽運動，然后又向外遷移到它今天的位置。這正是事情變得相當(dāng)有趣的地方。要想形成一顆質(zhì)量較小的火星，必須削減它的引力俘獲區(qū)。這是一個非常基本的想法，即火星要體積小，就必須得挨餓。地球和金星則不必這樣。在這種情形下，木星會如何？如果它一直位于火星現(xiàn)在的位置，會發(fā)生什么情況？

他們認為，木星曾穿行在內(nèi)太陽系中，從初始時距離太陽3.5天文單位運動到了僅1.5天文單位處，后者正好是目前火星軌道所在的位置。在早期太陽系中，年輕的太陽周圍存在著一個原行星盤，其中濃密的氣流和引力會把木星向內(nèi)拉。這個盤中的稠密氣體可以保證木星不會因太過靠近而最終掉入太陽，但同時也意味著木星會吸積掉該區(qū)域中大量的物質(zhì)，對此后火星的形成和生

長產(chǎn)生深遠的影響。

在這個階段，類地行星還都沒有形成。水星、金星、地球和火星要比氣態(tài)巨行星更為年輕，它們誕生的時間要晚得多。大遷徙假說認為，在太陽系形成的最初1000萬年里，土星會隨著木星一起朝太陽方向遷移，并且進入軌道共振狀態(tài)。這意味著土星和木星會對彼此產(chǎn)生規(guī)律且周期性的引力作用，由此清除掉位于它們之間的所有氣體，并最終使得這兩顆氣態(tài)巨行星朝外太陽系遷移。

木星最終抵達了其目前5.2天文單位的位置。但由于它之前在火星今天的軌道上吸積了大量物質(zhì)，直接導(dǎo)致火星生長受阻，無法長到金星和地球的大小。更重要的是，在遷移的過程中，由于木星到太陽的距離始終沒有小于1.5天文單位，因此它沒有對更靠近太陽的天體產(chǎn)生影響。這就意味著最內(nèi)層的3顆類地行星——水星、金星和地球——能夠如預(yù)期般形成。

要看到木星是如何影響火星的，只需把火星和地球做個比較。在形成的初始階段，地球和火星都會快速生長，但這個過程在地球上得以繼續(xù)，而在火星上則沒有。雖然火星被認為形成于距離太陽約1天文單位處，在那里它能夠形成其核心，但引力的相互作用把它推到了約1.5天文單位的地方，使得它位于一個物質(zhì)匱乏的區(qū)域，無法進一步生長。因此，火星早在地球之前就被迫停止生長了。

火星的形成時間要比地球短得多。地球形成花了1億年的時間，而火星只花了400萬年。地球在其形成的最初500萬至1000萬年中積聚了約50%的質(zhì)量。在開始的時候，火星和地球一樣積聚質(zhì)量，然后突然停了下來。木星清空了這一區(qū)域，僅留下少量物質(zhì)的想法可以解釋火星的質(zhì)量，也可以解釋火星的生長過程為何戛然而止。

在塑造太陽系的過程中，木星的作用并不僅限于此。一些科學(xué)家認為，太陽系中曾經(jīng)存在過超級地球，它們的質(zhì)量可達地球的10倍，但要小于海王星。就像天文學(xué)家在許多行星系統(tǒng)中觀測到的那樣，它們都十分靠近宿主恒星。這些超級地球幫助形成了最早的太陽系，但它們很可能已經(jīng)被所向披靡的木星破壞了。

這是美國加州理工學(xué)院的行星科學(xué)家康斯坦丁·巴特金和美國加州大學(xué)圣克魯茲分校的天文學(xué)家格雷格·勞克林提出的一個理論。他們的這個想法基于大遷徙假說，靈感則來自開普勒空間望遠鏡的觀測成果。該空間望遠鏡發(fā)現(xiàn)，銀河系中的恒星普遍都擁有非?？拷陨淼膸r質(zhì)行星，這些行星的質(zhì)量比地球大并且擁有稀薄的大氣。

這一發(fā)現(xiàn)暗示，在內(nèi)太陽系有行星不見了蹤影。同時，在其他行星系統(tǒng)中，氣態(tài)巨行星到其宿主恒星的距離往往只有水星到太陽距離的1/10。這著實讓人思考木星究竟是如何形成的、大遷徙又是如何清空內(nèi)太陽系的。巴特金和勞克林的想法是，如果太陽系與其他行星系統(tǒng)相似，那么在短周期軌道上應(yīng)該曾有一些超級地球存在。如果事實真的是這樣的話，天文學(xué)家將不得不解釋這些超級地球都去了什么地方。

巴特金和勞克林認為，超級地球形成于木星向內(nèi)遷移之前。在最早的階段，超級地球會快速形成。它們表面密度高，軌道周期短，因此可以獲得大量物質(zhì)，進而迅速生長。

當(dāng)木星向太陽運動時，會迫使超級地球的軌道發(fā)生交疊，使得它們發(fā)生碰撞并瓦解。巴特金和勞克林認為，在木星向內(nèi)遷移的過程中，超級地球首先遭到破壞。這一過程也會把木星送入一條在許多行星系統(tǒng)中非常典型的軌道。木星會觸發(fā)級聯(lián)式碰撞，位于目前地球軌道附近的、正在形成過程中的所有天體都開始發(fā)生碰撞并解體。

其結(jié)果是，在氣體阻尼力的作用下，超級地球的殘骸會被推入太陽，由此清空水星和太陽之間的區(qū)域，這也解釋了那里鮮有物質(zhì)存在的原因。如果這一理論被證實，將有助于解釋太陽系為什么會變得與其他行星系統(tǒng)如此不同，以及今天我們看到的類地行星為什么如此之小。該理論認為，由于第一代行星已被摧毀，使得更小的行星在第二波形成浪潮中取而代之。

“大遷徙會破壞最初的行星構(gòu)形?！眲诳肆终f，“然后，一旦進入共振狀態(tài)，木星和土星會向外遷移，最終地球和其他類地行星得以在木星先向內(nèi)、后向外的遷移過程遺留下的殘骸中誕生?！?/p>

這正是類地行星的年齡小于氣態(tài)巨行星的原因。類地行星只有在木星“碾碎”了沿途的行星體之后才能形成。這構(gòu)建了一個框架。在這個框架下，太陽系曾經(jīng)擁有不尋常的特征，和目前所見迥然不同，而這全都是早期木星的破壞作用導(dǎo)致的。

一顆以近圓軌道運行的巨行星并非在每個行星系統(tǒng)中都能見到。事實上，其形成的概率只有百分之幾。在水星軌道之內(nèi)空無一物也是十分不尋常的現(xiàn)象，這很可能是因為類地行星形成時間較晚且缺少物質(zhì)所致。

這可能意味著，有著與地球相似的固體表面和大氣壓強的行星也許是比較罕見的?；诂F(xiàn)在有關(guān)太陽系演化更為清醒的認識和判斷，我們對于在其他行星上存在生命的猜測可能需要回歸審慎的態(tài)度。

即便如此，莫爾比代利并不相信太陽系中曾存在過超級地球。他認為巴特金和勞克林的工作仍很初步，有些方面還需要深入。他表示，原行星盤存在內(nèi)邊界，行星是無法越過這一界線的。“有一些作用會把行星維持在這一邊界上，”他說，“這些作用也會推動塵埃?；谶@個原因，行星是無法遷移并掉入太陽的?！碑?dāng)然，也有人反對大遷徙假說。如果它被證實，將會產(chǎn)生巨大的影響。

“這會使得太陽系再次變得特殊。”莫爾比代利說，“這表明，我們是因為一系列特定的事件才存在于這里的，而且很明顯，這些事件并不會在任何時候都發(fā)生。例如，如果木星向內(nèi)遷移得更加靠近太陽，那么我們就不會出現(xiàn)在這里，因為地球的大小會和現(xiàn)在的火星相當(dāng)。不要誤會我的意思，我并不是說這多虧了‘上帝之手，而是說這一系列事件恰到好處地發(fā)生的概率絕對不會高?！?