改進過的新太陽系

06-04

原文標題：Our "New, Improved" Solar System

作者：Kelly Beatty 原文來自：SkyandTelescope.com Posted: 2010. 10. 16

大家請系好安全帶——我即將帶領你們踏上瘋狂的旅途！

與在其他恆星周圍發現的行星系統相比，我們的太陽系是一個有秩序的世界，每顆行星都在穩定的近圓軌道上環繞著太陽運行。幾世紀以來，人們認為行星長期的穩定性是顯而易見的，它們就在現在所處的位置上產生，從環繞在周圍的原行星盤中吸積氣體以及較大的物質塊，直到到達最終的尺度。

如NASA/JPL的 Photojournal網站主頁所示，我們的太陽系是由環繞著太陽運轉、有序排列的行星組成的。圖片提供：NASA / JPL

但是走得更深入一點，你會發現這一過分單純的圖景存在嚴重的問題。舉例來說，天王星與海王星最終應該比現在小得多，質量也更輕，原因是在距離幼年太陽數十億英里之外的地方，原行星可搜集的物質非常稀薄，吸積過程也非常緩慢。相反，火星誕生在盤中的肥沃地帶，最終可以達到的質量應該比現在的實際情況至少大10倍。而且也沒有人真正明白小行星帶存在的原因——尤其是為什麼它可以大致分為靠近太陽的岩石天體（S型）以及距離太陽較遠、以碳元素為主的異類（C型）兩類。

幾年前，動力學家解決了天王星 —海王星難題。他們假定4顆巨型行星最初是靠得更加緊密的家族，一起在距離太陽5到12天文單位的舒適地帶形成。

起初，這4個大傢伙和平共處。但是在200萬年後，事情變得不好收拾了。木星的引力將土星推上了一條高度搖擺的不穩定軌道，這引發的密近交會連鎖反應最終將海王星和天王星扔到了現在所處的遙遠行星際空間。

計算機模型表明，外行星在較窄的日心距範圍（5到12天文單位）內形成（圖中左下部分，如縱軸所示）。然而在大約200萬年後，土星軌道與木星發生了5:3共振，偏心率變得更大。形成地比天王星更加靠近太陽的海王星與其他所有3顆行星發生了重複的密近交會，最終被外拋到了今天所在的地方。圖片提供：A. Morbidelli & others / Astronomical Journal

現在理論家有了或多或少可以讓外太陽系就位的模型，但是他們仍舊為內行星頭疼。過小的火星與成分分層的小行星帶的惱人問題仍舊存在。

更糟糕的是，對其他行星系統的發現揭示出了根本不同的內行星結構：距離恆星非常近的「熱木星」，它們的一年只有幾天；軌道高度偏離正圓的大質量行星，任何與它們相遇的較小天體都會被拋出。由於在系外行星中，無序非常常見，太陽系可以最終變成任何小而緊密的系統都是令人驚訝的。

不過現在出現了模擬太陽系形成的突破，在上周美國天文學會行星科學分會的會議上，人們公布了其中的細節。得到4顆正確尺寸的類地行星外加正確類型的小行星很容易，不過需要對木星（以及土星）達到今天所在位置所經歷的過程進行一些引人注目的新思考。

解決火星難題

這場革命的舞台實際上是在去年搭建的。當時加州大學洛杉磯分校的布拉德·漢森（Brad Hansen）試圖用一種煥然一新的方式構造出內太陽系。他利用另一顆已知擁有密近地球尺度行星的系統——環繞著毫秒脈衝星 B1257+12的行星系統作為線索。這些發現於1991年、環繞脈衝星運轉的行星經常被人忽視，原因是它們的主「恆星」太過極端了。

沒有人知道靠近觀看環繞著脈衝星 B1257+12的行星系統會是什麼樣子的，不過這裡提供了一張可能正確的圖示。3顆地球質量的行星在近距離內環繞著脈衝星運動；一顆小行星質量的天體（未在圖中表示）在更遠的地方運轉。點擊這裡可見大圖。圖片提供：Robert Hurt

先前的計算機模擬假設，內行星是從一條緻密的大質量物質帶中吸積而成的，帶中存在一英尺量級寬度的星子，幾乎延伸到木星的位置。但是由此帶來的結果都是質量過大的火星以及混亂的小行星帶。然而漢森意識到，PSR B1257+12的行星必然是從靠近脈衝星的有限熱物質盤中凝聚而成的。

當他以同樣的方法應用到我們的太陽系之上時，他的初始條件是日心距離僅僅處在0.7到1.0天文單位之間的盤面，瞧！——他的計算機例行公事般地給出了幾顆行星，較大的（將它們當作「地球」和「金星」好了）位於中間，較小的（「水星」與「火星」）在內外邊緣上。

那麼為什麼地球與附近的鄰居是起源於如此狹窄的盤面呢？漢森在去年發表結果的時候，對此毫無線索。他承認：「在我的論文中，我坦率承認，這是特別選擇的。但是它成功了——實際上比任何先前的研究都成功得多。」

讓類地行星在狹窄盤面（灰色條帶）中形成的模擬給出了內行星的分布（23次計算給出的結果以空心圓圈表示），與實際分布（彩色圓點）吻合得很好。假設形成行星的鐵元素丰度與其他類地行星相同，就可以給出水星的上限值。圖片提供：Brad Hansen / Astrophysical Journal

同時，外行星圈子也在考慮，木星是如何免遭大量其他的系外巨行星的命運，沒有被太陽近距離俘獲的。理論上說，木星與太陽的原行星盤之間的潮汐相互作用會把它向內拉，讓它遭遇或者幾乎遭遇被吞沒的命運。

然而早在1999年，當時在馬麗皇后學院工作的理論家弗雷德里克·馬塞特（Frederic Masset）與馬克·斯內格羅夫（Mark Snellgrove）就說明了，木星確實向內遷移過——不過只是達到了與土星保持3:2共振的地方。在這裡，木星每環繞太陽旋轉3周，土星就旋轉2周。這對行星在這裡發生過運動反轉，並向外運動。（這種耦合遷移機制有些複雜，如果有興趣的話，你可以在這裡看到詳細說明。）

漢森猜測式的模擬與對巨型氣體行星向內外遷移的認識一道，讓太陽系模擬者喊出了「我知道了!」他們想，如果年輕的木星冒險走到了比現在的位置距離太陽近得多的地方，又會發生什麼呢？

在上周的會議上，令人驚異的結果公布了。在法國藍色海岸天文台從事博士後工作時與亞歷山德羅·莫比德利（Alessandro Morbidelli）一道解決這一問題的凱文·沃爾什（Kevin Walsh）進行了計算機模擬，最開始將木星放在距離太陽3.5天文單位的地方，並讓它向內爬行到1.5天文單位（大致相當於現在火星的軌道半徑）。其結果的覆蓋寬度和重要性都非常值得注意。

這張簡化的序列圖說明了太陽系早期歷史中木星和土星的內外遷移是如何造就了誕生內行星的狹窄盤面的。它們的運動還在小行星帶中造就了交疊分布的岩石（S）與碳質（C）天體區域。圖片提供：Kevin Walsh / SWRI

首先，木星的引力也會將軌跡上的小物質塊向內拉，形成了一個由擾動驅動的雪犁，讓所有岩石星子堆積到一個外邊緣距離太陽1天文單位的小型盤面中。根據來自行星科學學會的報告人、沃爾什小組的成員戴維·奧布賴恩（David O"Brien）的觀點，木星只花費了10萬年的時間就向內運行至距離太陽1.5天文單位的地方，又花費了50萬年到達了現在距離太陽5.2天文單位的軌道上。

其次，新的計算機模擬證實了漢森已經提出的觀點：一個由岩石物質組成的小型盤面只延伸了1天文單位的距離，其中的物質只夠凝結成4顆類地行星 ——而且火星也沒有那麼大。

在會議上，來自西南研究所的戴維·明頓（David Minton）與哈爾·利維森（Hal Levison）報告了他們的模擬結果，他們使用截取過的小型盤面，得出了同樣的結論。一個關鍵的不同是，在明頓與利維森的模擬中，火星就在盤中形成，並且遷移到盤面邊緣以外的地方。

這應該是件好事，因為運動的火星可以提供引力擾動，將富鐵星子踢出盤面，進入內小行星帶，現在這類天體正是往往在此處被發現。漢森評論道：「在我的計算中，火星在[盤面中的 ]原始位置非常易變。向外的遷移是散射所致，因此事情好了很多。」

第三，如果土星（通過3:2共振拖住了木星）質量不夠大，不能通過潮汐力制止木星的運動並讓兩顆行星的運動方向逆轉，木星可能會到達距離太陽更近的地方，也許徑直朝太陽衝去。這樣看來，類地行星的形成與存在就不是依靠木星，而是要取決於土星了。

第四，木星向內的遷移可以完全掃清距離太陽2到4天文單位的小行星區。這裡的大多數天體都完全消失了，但是大約有15%被散射到了土星以外的盤面中。在兩顆恆星掉轉運動方向，向外遷移之後，這次它們向內散射了更多原先的錯位天體，把它們送回了今天的小行星帶中。

第五，在土星和木星繼續向外運動，前往最終的軌道期間，它們遭遇了其他的小行星群。與來回拋擲的岩石天體不同，這些是形成於距離太陽6到9天文單位之間的富碳富水天體。它們被動力學二重唱向內拖曳，形成了如今外小行星帶的主力。

新的圖景？

概述一下：在包羅萬象的敘述中，這些理論家給出了針對小火星以及分層小行星帶（內層富岩石，外層富碳）的解釋。新的理論還額外給出了一組在正確的時間尺度上（太陽誕生後大約3000萬年）自然形成的一組4顆內行星。它甚至還為地球提供了水源（C型小行星）以及促使發生產生月球的巨型撞擊的近地環境。

如果最近的計算機模擬是正確的，太陽系的內行星應該形成於一個狹窄的礫石盤面中，盤的寬度只有大約3000萬英里。如此狹窄的盤面可以造就一個不太大的火星 ——而先前的模型沒有做到這一點。圖片提供：NASA / JPL / T. Pyle (SSC)

沃爾什說，這一激進的圖景說明「我們對內太陽系演化的了解發生了範式轉換」。這是謹慎的說法而已！對於我來說，這就是不能忘懷的維里科夫斯基學說（Velikovskian），只是這些傢伙已經做足了功課。

「木星偉大的搶風航行」（如莫比德利所說）會禁住未來的檢驗嗎？沃爾什與他的小組已經將進一步的結論提交給了《自然》雜誌供出版，但是其他動力學家已經開始根據上周的報告見聞進行權衡了。西南研究所的同事威廉·博特克（William Bottke）觀察道：「對於我來說，他們的模型有很多不錯的地方。但是在全面宣布勝利之前，還需要檢查許多第一位的東西。」

舉例來說，現在廣泛被接受的觀點是，地球上的大多數水分是來自外小行星帶的。但是博特克認為，沃爾什、奧布賴恩、莫比德利以及其他人提出的圖景應該需要大規模的富水（C型）小行星倉庫，總質量是如今小行星帶中的上百倍。他說：「我們需要用更多的物理與宇宙化學來審查這些模型。」另外，木星與土星向內遷移的距離與土星羽翼豐滿的速度與時間密切相關。「有效」的初始條件範圍越寬，該模型正確的可能性就越高。

莫比德利仍舊自信地認為，他們正邁入某些深遠的發現。他妙語道：「我們認為自己是天空中的地質學家。現在我們可以足夠好地『閱讀』當前的太陽系排列，來探明早期的行星做了些什麼。」

（全文完）