木星：太陽系塑造者和行星殺手 | 科學人 | 果殼網 科技有意思

（Shea 編譯）關於木星，我們知道許多事情。這顆氣態巨行星的質量是地球的317.8倍。這個數字也相當於太陽系中其他行星總質量的2倍。它擁有4顆大型衛星和許多小衛星，它的自轉速度驚人，木星上的一「天」不足10個小時。不過，在木星身上也有一些東西在不斷給我們帶來驚喜。例如，誰曾想到這顆由氫和氦構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？如現在所見，8顆行星正在以規則且固定的軌道繞太陽公轉。水星位於最內側，向外依次是金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。然而，這一排列並非一貫如此。雖然現在的一切看似有序，但有一些異常已經困擾了天文學家好一段時間。

其中一個問題就是火星。當天文學家試圖利用計算機來模擬太陽系最內層4顆行星的形成時，火星的質量要麼比現在大10倍，要麼遠比實際的更加靠近太陽。科學家一直在思考，是什麼東西扼制了火星的生長，並改變了它的軌道。一些天文學家認為，答案就是木星。

木星是太陽系中最大的行星。它的質量是地球的317.8倍，是其他行星總質量的2倍。哈勃空間望遠鏡發現在木星的兩極還存在極光活動。圖片來源：NASA/ESA/J. Nichols (Univ. Leicester)

多年來，不同的研究一直在嘗試為這個問題提供解答。2009年，美國加州大學洛杉磯分校的布拉德·漢森（Brad Hansen）提出一個理論，認為太陽系中的固態物質僅分布在一個特定的範圍之內。他認為這個邊界在距離太陽1個天文單位處，在這之外的行星會因為缺少物質而無法生長。這個想法很有效——1個天文單位是地球到太陽的距離，這可以解釋為什麼地球和金星的質量都遠大於火星。火星到太陽的距離為1.5個天文單位，位於漢森提出的邊界之外。這使得火星會因為缺少固態物質而無法生長變大，聽起來似乎是一個完美的解釋。然而，有一個關鍵要素缺失了。「漢森並沒有解釋他是如何得出這一邊界所在位置的，」天文學家亞歷山德羅·莫爾比代利（Alessandro Morbidelli）說。它也無法解釋遠在1個天文單位之外的氣態行星和小行星帶。為了解釋火星質量太低的問題，莫爾比代利與肖恩·雷蒙德（Sean Raymond）、凱文·沃爾什（Kevin Walsh）、阿維·曼德爾（Avi Mandell）和戴維·奧布萊恩（David O"Brien）一起，開始更加仔細地審視太陽系中最大的行星——木星。他們最終提出了一個大遷徙假說，認為木星是太陽系中形成的第一顆行星，它在其一生中進行了2次遷移：一開始向內朝太陽運動，然後又向外遷移到它今天的位置。這正是事情變得相當有趣的地方。為了形成一顆質量較小的火星，必須要削減它的引力俘獲區。這是一個非常基本的想法，火星要體型小，就不得不挨餓，而地球和金星卻沒有這樣。所以這些天文學家想知道，木星會如何？如果它一直位於火星現在的位置，會發生什麼情況？他們提出木星曾穿行於內太陽系中，從初始時距離太陽3.5個天文單位運動到了僅1.5個天文單位處，後者正好是目前火星軌道所在的位置。在太陽系歷史的早期，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推。這個盤中的稠密氣體使得木星不會太過靠近而最終掉入太陽，但這同時也意味著木星會吸積掉該區域中大量的物質，對此後火星的形成和生長產生深遠的影響。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巨行星更為年輕，它們誕生的時間要晚得多。大遷徙假說提出，在太陽系形成的最初一千萬年里，土星會隨著木星一起朝太陽方向遷移，並且它們會進入軌道共振狀態。這意味著土星和木星會對彼此產生規律且周期性的引力作用，由此它們會清除掉位於它們之間的所有氣體，並最終使得這兩顆氣態巨行星朝外太陽系遷移。木星最終達到了其目前5.2個天文單位的位置，但由於之前在火星今天的軌道上吸積了大量的物質，直接導致火星生長受阻，無法長到金星和地球的大小。更重要的是，在遷移的過程中，由於木星到太陽的距離始終沒有小於1.5個天文單位，因此它沒有對更靠近太陽的物質產生影響。這也意味著最內層的3顆類地行星——水星、金星和地球——能夠如預期一樣正常形成。要理解木星如何影響火星，只需把火星和地球做個比較。在形成的起始階段，地球和火星都會快速生長，但這個過程在地球身上得以繼續，而火星則沒有。雖然火星被認為形成於距離太陽約1個天文單位處，在那裡它能夠形成其核心，但引力相互作用把它推到了約1.5個天文單位的地方，使得它自在了一個缺乏物質的區域，無法進一步生長。因此，火星在地球完全成形前很久就被迫停止生長了。

火星形成的時標要比地球短得多。地球在其最初的500萬～1000萬年中積聚了約50%的質量。地球形成花了1億年的時間，而火星只花了400萬年。因此，在開始的時候，火星積聚質量，然後突然停了下來。木星清空這一區域、僅留下少量物質的想法可以解釋火星的質量，也可以解釋火星的生長過程何以戛然而止。

一些科學家認為，太陽系中曾經存在過超級地球，它們的質量可達地球的10倍，但木星的引力使得這些超級地球發生相撞並最終瓦解。圖為超級地球格利澤876d的藝術概念圖。圖片來源：Trent Schindler/NSF

行星之王的殺戮歷史木星先向內、後向外的遷移，對太陽系產生了重大而深遠的影響。0年：木星形成在早期太陽系中，原行星盤中有濃密的氣體和塵埃在繞太陽轉動。木星最早形成於原行星盤中距離太陽3.5個天文單位的地方。70 000年：主要引力源木星從原行星盤中吸積氣體，使之成為一顆氣態巨行星。在這個盤中打開了一道巨大的縫，隨後木星開始朝著太陽向內遷移。80 000年：超級地球碰撞有一種理論認為，木星的引力使得形成於太陽附近的超級地球發生相撞。撞出的碎片殘骸掉入了太陽，但留存下的物質形成了今天所看到的類地行星。100 000年：土星形成土星形成於木星遷移到4.5個天文單位之前。在接近其目前的質量時，它與原行星盤中氣體的引力相互作用使得它向內遷移。120 000年：氣態巨行星彼此靠近在盤中氣流的推動下，土星逐漸靠近木星，進入軌道共振的狀態。土星每繞太陽公轉2周，木星則繞太陽公轉3周。300 000年：向外遷移在這個階段，木星位於距離太陽1.5個天文單位處，與今天火星佔據的軌道一致。之後，木星調頭，它和土星開始遠離太陽向外遷移。500 000年：清除小行星隨著木星和土星向外遷移，木星會沿途清除掉它所遇到的15%的小行星。這解釋了為什麼存在兩類小行星以及小行星帶的質量缺失。600 000年：木星止步由於原行星盤中的氣體耗盡，木星向外遷移的速度放緩並最終止步於現在的5.2個天文單位處。天王星和海王星通過共振被俘獲。它們都生長到了現有的質量。

在塑造太陽系的過程中，木星的潛在作用並不僅限於此。一些科學家認為，太陽系中曾經存在過超級地球，它們的質量可達地球的10倍，但要小于海王星。就像在其他許多行星系統中所觀測到的，它們都十分靠近宿主恆星。不同於今天我們所見的太陽系，它們幫助形成了最早的太陽系，但它們很可能已經被所向無敵的木星破壞了。這聽起來很稀奇，卻是由美國加州理工學院的行星科學家康斯坦丁·巴特金（Konstantin Batygin）和美國加州大學聖克魯斯分校的天文學家格雷格·勞克林（Greg Laughlin）提出的一個理論。他們的這個想法使用了大遷移假說，提出它的靈感則來自於開普勒空間望遠鏡。該空間望遠鏡發現，銀河系中的恆星普遍都擁有非常靠近它自身的岩質行星，這些行星的質量比地球大，並且擁有稀薄的大氣。這一發現暗示，在內太陽系有行星不見了蹤影。其他行星系統中的氣態巨行星到其宿主恆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，木星是如何形成的，以及大遷徙又如何清空了內太陽系。巴特金和勞克林的想法是，如果太陽系與其他的行星系統相似，那麼在短周期的軌道上應該有一些超級地球存在。但是，如果曾經確實是這樣的話，那麼今天天文學家將不得不解釋這些超級地球又去往了什麼地方。巴特金和勞克林認為，超級地球形成於木星向內遷移之前。在最早的階段，超級地球會快速形成。由於表面密度高，也因為軌道周期短，它們可以獲得大量的物質，進而迅速生長。當木星在大遷徙假說中向太陽運動時，巴特金和勞克林認為這會迫使超級地球的軌道發生交疊，使得它們發生碰撞並瓦解，這意味著在木星向內遷移的過程中，超級地球首當其衝遭到破壞。它也會把木星送入了一條在其他許多行星系統中非常典型的軌道。木星會觸發級聯式碰撞，位於目前地球所在區域中正在試圖形成的所有天體，都會開始發生碰撞並解體。其結果是，在氣體阻尼力下，超級地球的殘骸會被推入太陽，由此清空了水星和太陽之間的區域，這也解釋了那裡鮮有物質存在的緣由。如果被證實，這一理論有助於解釋為什麼太陽系會變得如此不同於其他的行星系統，以及為什麼今天太陽系的類地行星會如此之小。它認為第一代行星已被摧毀，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形，」勞克林說，「然後，一旦進入共振狀態，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、後向外的遷移過程所留下的殘骸中誕出。」這正是類地行星的年齡要小於氣態巨行星的原因。類地行星只有在木星「碾碎」了其沿途的行星體之後才能形成。這構建了一個框架，由此我們可以理解為什麼類地行星要比氣態巨行星更加年輕。在這個框架下，太陽系曾經擁有著奇特和不尋常的特徵，和目前所見的迥然不同，而這全都是由木星在其早期的破壞作用所導致的。

根據大遷徙假說，在太陽系早期因巨行星的遷移，會引發大規模的天體碰撞事件。

大遷徙假說的證據火星的質量小於預期。當在計算機中模擬太陽的原行星盤時，火星的質量要大於現在的數值，因為在其軌道附近有充足的物質。大遷徙假說認為，木星吸積掉了這些物質中的大部分。小行星帶中存在不同類型的天體：冰質小行星和乾燥的岩質小行星，這向天文學家提出了挑戰。大遷徙假說認為，木星向外的遷移把小行星帶向內推，並且把冰質的小天體輸送到更靠近太陽的地方。地球的表面具有「合適」的含水量。太陽系形成的經典模型顯示地球上的水要麼太多，要麼太少。大遷徙假說提出，碳型冰質小行星是地球上水的來源。小行星帶質量小於預期。當木星向內遷移進入、然後又向外遷移出小行星帶時，它會把小行星帶的質量削減到目前的水平。

一顆以近圓軌道運動的巨行星並非是在每個行星系統中都能普遍見到的事情。事實上，其發生的概率只有百分之幾。在水星軌道之內空無一物也十分不尋常，這很可能是因為類地行星形成時間較晚且缺少物質所致。這可能意味著，有著與地球相似固體表面和大氣壓強的行星也許是比較罕見的。基於現在對太陽系演化所做出的更為清醒的認識和判斷，由此對於在其他行星上存在生命的猜測可能需要回歸審慎的態度。即便如此，莫爾比代利並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，原行星盤存在內邊界，行星是無法越過這一界線的。「存在著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。」出於這個原因，行星是無法遷移並掉入太陽的。當然，也有人反對大遷徙假說，如果它被證實，將會產生巨大的影響。「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於這裡的，而很明顯這些事件並不會在任何時候都發生。例如，如果木星向內遷移得更加靠近太陽，那麼我們就不會在這裡，因為地球的大小會和現在的火星相當。不要誤會我的意思，我並不是說這多虧了『上帝之手』，而是說這一系列事件恰到好處發生的概率絕對不會高。」（編輯：Steed）

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