跳躍的木星

路西

人類一直都在溯本求源，我們?cè)噲D去了解生命的起源，弄清地球的構(gòu)造和太陽(yáng)系的形成。雖然太陽(yáng)系看上去非常簡(jiǎn)單，但是當(dāng)天文學(xué)家們?cè)噲D研究出太陽(yáng)系的產(chǎn)生時(shí)，他們還是遇到了一些難以解釋的謎題。

為什么太陽(yáng)系會(huì)是今天這個(gè)樣子的？為什么系內(nèi)的行星會(huì)來到它們今天所在的位置？天文學(xué)家們用計(jì)算機(jī)構(gòu)建了許多的模型，來模擬太陽(yáng)系的起源和演化，同時(shí)提出了很多假說來回答上述問題。

核心吸積理論

目前，天文學(xué)家們一致認(rèn)為：46億年前，太陽(yáng)和它的行星誕生自一片星云中。星云由氣體和塵埃組成，密度較大的氣體和塵埃團(tuán)會(huì)憑借引力從它周圍的區(qū)域，把密度較小的物質(zhì)聚集起來，最終星云的中心因?yàn)樘s而形成了太陽(yáng)。由氣體和塵埃形成的不透明環(huán)圍繞太陽(yáng)伸展開來，被稱為“原行星盤”。

早在1755年，德國(guó)哲學(xué)家伊曼努爾·康德就提出了上述的設(shè)想，后來的理論學(xué)家們一直在細(xì)化太陽(yáng)系形成的細(xì)節(jié)，并將太陽(yáng)系中行星的分布情況等考慮到其中。他們先是提出了一些解釋行星形成的理論，比如核心吸積理論，即在太陽(yáng)形成以后，靜電使原行星盤中的顆粒聚集到一起形成了松散的組織，并最終成長(zhǎng)為直徑為幾千米的微星體，然后在引力的作用下，微星體碰撞、結(jié)合，太陽(yáng)的周圍逐漸形成了行星，這些行星圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)。

核心吸積理論認(rèn)為行星形成于它們今天所在的位置，吸積過程在不同的地點(diǎn)產(chǎn)生不同的結(jié)果。像地球一樣的巖石行星（水星、火星、金星）被稱為類地行星，因?yàn)樗鼈兒吞?yáng)的距離較小，易揮發(fā)的水和甲烷分子難以聚集，所以巖石行星主要由鐵、鎳等金屬和金屬化合物構(gòu)成，類地行星的體積也比較小。體積巨大的氣體行星被稱為類木行星（木星、土星、天王星和海王星），它們的形成位置距太陽(yáng)更遠(yuǎn)，溫度更低，氣體和冰都可以大量聚集。

但是，這種理論很難解釋特洛伊小行星（與木星共用同一軌道運(yùn)行的一大群小行星）和柯伊伯帶的存在（海王星軌道外）。因此，現(xiàn)在天文學(xué)家普遍認(rèn)為，行星形成的位置與現(xiàn)在所在的位置不同，它們經(jīng)歷了一系列的演化過程才到了現(xiàn)在的軌道。

尼斯模型

為此，天體學(xué)家都利用計(jì)算機(jī)模擬了天體的演化，它們都能或多或少地解釋太陽(yáng)系中的各種現(xiàn)象，其中，尼斯模型是近年最被廣泛接受的太陽(yáng)系早期演化模型。

在尼斯模型中，四顆類木行星的原始軌道接近圓形，并且和太陽(yáng)的距離很近，彼此之間也很緊湊，它們處于一個(gè)充滿小型巖石和冰的原行星盤中。當(dāng)微行星與氣體行星的相互作用時(shí)，微行星會(huì)向太陽(yáng)系內(nèi)散射，土星、海王星、天王星向太陽(yáng)系邊緣移動(dòng)。向內(nèi)散射的許多微行星陷入到木星的引力場(chǎng)中，成為特洛伊小行星。當(dāng)天王星和海王星穿過外圍的冰盤時(shí)，一些物質(zhì)被拋向內(nèi)部，撞向類地行星，其他的物質(zhì)向外拋擲，形成柯伊伯帶。

尼斯模型雖然較完美地契合了今天太陽(yáng)系的模樣，但是它卻無法解釋水星軌道問題。水星是距離太陽(yáng)最近的行星，其公轉(zhuǎn)軌道呈橢圓形，水星的軌道是所有太陽(yáng)系內(nèi)行星的軌道中最狹長(zhǎng)的，而且在其他行星的公轉(zhuǎn)軌道幾乎都位于同一平面時(shí)，水星軌道平面與其他軌道所在的平面形成的夾角卻足有7°。而且尼斯模型十分不穩(wěn)定，天王星或海王星總是會(huì)被逐出太陽(yáng)系，只剩下3顆氣體行星。

“跳躍的木星”假說

隨后，美國(guó)科羅拉多州西南研究所的研究員大衛(wèi)·內(nèi)斯沃尼和巴西行星科學(xué)家費(fèi)爾南多·羅伊格在多次模擬和計(jì)算行星軌道后，在尼斯模型的基礎(chǔ)上，提出了“跳躍木星”的假說。這一假說可以很好地解釋水星奇怪的軌道和尼斯模型不穩(wěn)定的問題。

兩位科學(xué)家表示，在最初形成的太陽(yáng)系中，很可能還有一個(gè)巨大的氣體行星，這個(gè)氣體行星的體積和海王星差不多，位于土星和天王星之間。在氣體行星向外遷移的過程中，這顆行星被彈射出太陽(yáng)系。在這個(gè)過程中，還引起了木星軌道向太陽(yáng)靠近，木星與太陽(yáng)的距離迅速地縮短了?？茖W(xué)家將軌道的快速遷移描述成“木星的跳躍”。

這種跳躍并沒有影響到其他質(zhì)量較大的巖石行星，只影響了質(zhì)量最小的水星（水星的質(zhì)量約為地球的二十分之一），造成了水星軌道的偏移。除此之外，木星跳躍也可以用來解釋小行星帶。由于受到了木星的引力影響，微行星不但沒有形成行星，反而互相碰撞，形成了許多殘骸和碎片。然而，天文學(xué)家們卻無法觀測(cè)到微行星碰撞留下的痕跡。如果太陽(yáng)系曾有過第五顆氣體行星，并且太陽(yáng)系又將這顆行星驅(qū)逐出去，這一過程會(huì)打亂小行星的軌道，以至于我們很難觀測(cè)到碰撞的證據(jù)，一切都非常地合理。

如果初始太陽(yáng)系只有四顆巨型氣體行星，那么太陽(yáng)系有今天的軌道布局的可能性將會(huì)非常地低。但是如果初始太陽(yáng)系原本有五顆氣體行星，那么弄清太陽(yáng)系的形成就變得簡(jiǎn)單得多了。