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太陽系為何如此與眾不同
- 發(fā)布時(shí)間:2015-05-24 13:29:58 來源:科技日?qǐng)?bào) 責(zé)任編輯:羅伯特
在水星、金星、地球和火星還未形成的很早以前,太陽系內(nèi)可能有著許多超級(jí)地球般的行星,比地球更大,但比海王星要小。如果真是這樣,它們也早已消逝——在幾十億年前粉碎并被太陽吞噬。這一切,主要是因?yàn)樵谔栂档脑缙跉v史上,木星曾經(jīng)有過一次先向內(nèi)遷移,然后向外的“大轉(zhuǎn)向”。
發(fā)表在美國《國家科學(xué)院學(xué)報(bào)》網(wǎng)站上的一篇研究論文提出,木星曾像個(gè)碾壓球一樣橫掃了早期的太陽系,破壞了第一代系內(nèi)行星,然后才退回到它目前的軌道上。天文學(xué)家近年來發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)系外行星系統(tǒng),與它們相比,我們的太陽系是如此地與眾不同。
與眾不同的太陽系
“目前,在天空背景上我們能看到自己的太陽系,還有許多其他的行星系統(tǒng),一個(gè)最有趣的特點(diǎn)是,水星的軌道以內(nèi)沒有行星,”該論文合著者、美國加州大學(xué)圣克魯茲分校天文與天體物理學(xué)教授格雷戈里·拉弗林說。“在我們的銀河系中,標(biāo)準(zhǔn)的行星系統(tǒng)就像是一套超級(jí)地球,它們的軌道周期短得令人吃驚。我們的太陽系才是越看越古怪?!?/p>
根據(jù)近年來對(duì)系外行星的研究,在銀河系中,約有一半的類日恒星都有行星環(huán)繞。“恒星獵人”計(jì)劃已探測到1000多顆圍繞著系外恒星公轉(zhuǎn)的系外行星,包括將近500個(gè)有多個(gè)行星的恒星系。從這些觀察中,科學(xué)家能總結(jié)出“典型的”行星系統(tǒng)的樣子:由許多質(zhì)量超過地球幾倍的行星(超級(jí)地球)組成,它們繞主恒星的軌道半徑比水星到太陽的距離要近得多。在有著像木星那樣的巨行星的系統(tǒng)中,那些巨行星也比我們太陽系中的巨行星離它們的主恒星更近。
而在太陽系中,水星軌道內(nèi)只有些零星碎片,可能是近地小行星進(jìn)一步向內(nèi)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,但肯定是沒有行星的;我們的巖石行星的質(zhì)量更小,大氣層更薄,這些都和其他大部分恒星系形成了鮮明對(duì)比。
最近,美國加州理工大學(xué)的行星科學(xué)家康斯坦丁·巴蒂金和拉弗林借鑒以往的研究假說,通過計(jì)算和模擬,為早期太陽系描繪了一幅新畫面,有助于回答許多懸而未決的關(guān)于目前的太陽系和地球本身的構(gòu)造問題。比如,為何太陽系內(nèi)部留下了“張開的洞”?為何地球及其他內(nèi)部巖石行星形成的時(shí)間比外部行星更晚?與其他恒星系的行星相比,為何我們太陽系的類地行星的質(zhì)量相對(duì)較???
“確實(shí),在銀河系的行星系統(tǒng)中,我們現(xiàn)在的太陽系看起來并不具有普遍代表性。相反,我們是個(gè)例外,”巴蒂金說,“但沒有理由認(rèn)為,太陽系沒有按照整個(gè)銀河系主流的行星形成模式發(fā)展,更可能的是,后來的變化改變了它最初的構(gòu)造?!?/p>
遠(yuǎn)古的木星“大轉(zhuǎn)向”
早在2001年,英國倫敦瑪麗皇后大學(xué)一個(gè)研究小組就提出了“大轉(zhuǎn)向”假說,2011年法國尼斯天文臺(tái)的另一個(gè)研究小組再次提出這一觀點(diǎn)。按照這一假說描述的情景,在太陽系早期的最初幾百萬年里,建造行星的原始材料——星子——還嵌在由氣體和塵埃組成的厚厚的吸積盤里,圍繞著相對(duì)年輕的太陽。木星質(zhì)量變得越來越大,其萬有引力的影響也越來越大,在盤中清出一條路來。當(dāng)時(shí)太陽拉著吸積盤的氣體向自身聚集,木星也開始向內(nèi)飄移,就好像行進(jìn)在一個(gè)巨大的傳送帶上。
“木星在傳送帶上不斷行進(jìn)著,最終將會(huì)掉進(jìn)太陽,如果不是因?yàn)橥列堑脑挕!卑偷俳鸾忉屨f。土星在木星之后形成,但被拉向太陽的速度更快,使它能趕上木星。一旦兩個(gè)大質(zhì)量行星靠得足夠近,它們就會(huì)形成一種固定關(guān)系,叫做軌道共振,這樣它們的軌道周期是成比例的。比如在一個(gè)2∶1的軌道共振中,土星圍繞太陽轉(zhuǎn)兩圈的時(shí)間,木星只能轉(zhuǎn)一圈。在這種關(guān)系中,兩個(gè)天體會(huì)彼此施加萬有引力影響。
“共振允許吸積盤上的兩個(gè)行星開放共同通道:它們開始玩這種游戲,彼此交換角動(dòng)量和能量,幾乎保持同一個(gè)節(jié)奏。”巴蒂金說。最終,這種來回互動(dòng)清空了二者之間的所有氣體,在一個(gè)逆行星遷移方向的位置,把它們向太陽系外拉扯。在“大轉(zhuǎn)向”描述的情景中,行星先向內(nèi)遷移,隨后戲劇性地改變行程,就像一條船繞過了一個(gè)航標(biāo)。
在早期的由加州大學(xué)洛杉磯分校的布萊德雷·漢森開發(fā)的模型中,在一系列特定的環(huán)境條件下,類地行星順利地終結(jié)在它們現(xiàn)在的軌道上,并有著現(xiàn)在的質(zhì)量——其中一個(gè)條件是,在太陽形成后1000萬年,所有的構(gòu)成太陽系內(nèi)部行星的材料——星子——都碰巧“定居”在一個(gè)狹窄的圓環(huán)區(qū)域,從0.7到1個(gè)天文單位(1天文單位是一個(gè)平均日地距離)。
按照“大轉(zhuǎn)向”理論設(shè)想,環(huán)區(qū)的外邊界由木星劃出,當(dāng)它向著太陽運(yùn)動(dòng)時(shí),就像在一條傳送帶上,在太陽系的吸積盤中清理出一條路來,一直到達(dá)地球目前的軌道。但它的內(nèi)邊界在哪兒?為何星子要被局限在環(huán)區(qū)內(nèi)部?“這一問題還未解決!”巴蒂金說。
掃蕩第一代“超級(jí)地球”
按照拉弗林和巴蒂金的新解釋,答案在于最初的超級(jí)地球——太陽系內(nèi)部的空洞幾乎剛好對(duì)應(yīng)著其他恒星系中典型的超級(jí)地球所在的位置。如果在木星向內(nèi)遷移之前,太陽系內(nèi)部已經(jīng)有了一套軌道更窄的巖石行星會(huì)怎樣?那時(shí)候,太陽附近被致密的氣體和塵埃圍繞著,所以,不斷形成有著深厚大氣層的巖石行星也是合理的,在變成典型的“超級(jí)地球”的過程中,它們就像許多繞著其他系外恒星公轉(zhuǎn)的系外行星一樣。
因此可以合理地推測,這一區(qū)域曾有過第一代行星群,它們沒能幸存下來,在太陽系的早期歷史中被清除了。太陽系之所以變成今天這個(gè)樣子,木星是關(guān)鍵。
“這就像我們擔(dān)心的衛(wèi)星在近地軌道被破壞那樣,它們的碎片可能會(huì)沖進(jìn)其它衛(wèi)星領(lǐng)域,引發(fā)碰撞連鎖反應(yīng)。我們的研究表明,木星可能就是在太陽系的內(nèi)部,制造了這樣一次連續(xù)碰撞事故。”拉弗林說。
巴蒂金和拉弗林研究了木星和土星的形成情況,并借鑒了“大轉(zhuǎn)向”理論中的某些解釋。拉弗林說,形成像木星這樣的巨行星是非常罕見的,但在它形成時(shí),巨行星通常會(huì)向內(nèi)遷移,并在來到類似地球這樣的軌道距離時(shí)停止。直到太陽系中形成了土星時(shí),才把木星拉了回去,讓水星、金星、地球和火星得以形成。
根據(jù)他們的計(jì)算模擬,隨著木星向內(nèi)移動(dòng),它把沿途遇到的所有星子都拉進(jìn)軌道共振中,帶著它們一起向太陽移動(dòng)。在那些星子離太陽更近時(shí),它們的軌道變成了橢圓形?!澳悴豢赡芎翢o代價(jià)地減小軌道半徑,結(jié)果就會(huì)增加它們的長短軸比例,”巴蒂金說。
那些新的、拉長了的軌道使這些星子大部分的軌道半徑在100公里級(jí)別,掃過以前不能達(dá)到的盤區(qū),引發(fā)了一連串的碰撞。巴蒂金的計(jì)算結(jié)果顯示,在此期間,每個(gè)星子每隔200年就會(huì)與其它物體碰撞至少一次,碰撞造成的碎片殘骸螺旋著飛向太陽,頂著來自致密氣體的強(qiáng)大逆風(fēng),圍繞太陽旋轉(zhuǎn)。持續(xù)進(jìn)行的碰撞雪崩會(huì)破壞任何新形成的超級(jí)地球,撞碎的殘骸越來越多地飛進(jìn)太陽。
他們做了一個(gè)最終模擬,以看看如果恒星系內(nèi)部有著一群超級(jí)地球,當(dāng)這一連串碰撞開始后,會(huì)發(fā)生什么情況。他們?cè)谝呀?jīng)熟知的開普勒-11(Kepler-11)恒星系中進(jìn)行模擬。該恒星系內(nèi)部有6個(gè)超級(jí)地球,總質(zhì)量是地球的40倍,圍繞著一顆類日恒星公轉(zhuǎn)。根據(jù)模型預(yù)測,在一場持續(xù)超過兩萬年的星子碰撞雪崩中,超級(jí)地球都將被驅(qū)入類日恒星。
“這是個(gè)非常有效的物理過程,”巴蒂金說?!爸灰獛讉€(gè)地球質(zhì)量的材料,就能把相當(dāng)于幾十個(gè)地球質(zhì)量的行星趕入太陽。”
太陽系的“星二代”
我們的太陽系也曾有過許多超級(jí)地球,地球?qū)儆诘诙行恰_@些“星二代”—水星、金星、地球和火星—是后來形成的,它們質(zhì)量更小,大氣層也更薄,因?yàn)楫?dāng)時(shí)可用的“造星”材料已經(jīng)所剩無幾。
巴蒂金說,當(dāng)木星轉(zhuǎn)向后,它攜帶的一些星子碎片會(huì)平靜下來進(jìn)入環(huán)形軌道。又經(jīng)過幾百萬年時(shí)間,星子才聚集在一起,最終形成了類地行星。被木星掃蕩后,只有約10%的物質(zhì)剩下來,構(gòu)成了現(xiàn)在的水星、金星、地球和火星。“我們就是從這一混亂的剩余殘骸中形成的?!?/p>
“木星先內(nèi)后外的航行可能摧毀了第一代行星,并形成了太陽系目前這一代質(zhì)量較小的類地行星?!卑偷俳鹫f,這與人們的觀測證據(jù)—地球形成于太陽出生后的1億至2億年間—吻合地非常好。由于那時(shí)原來的氫氦氣盤早已消失,這也解釋了地球大氣層中為何缺少氫氣。
這也與太陽系內(nèi)部行星比外部行星更年輕的證據(jù)相符。拉弗林說:“我們的理論預(yù)測之一是,真正的類地行星,有著固體表面和適中的大氣壓,是非常罕見的?!绷硪粋€(gè)預(yù)測是,這些有著軌道周期超過100天的巨行星的系統(tǒng),不太可能承載多個(gè)近軌道行星。
“這種理論,某事發(fā)生一次之后又發(fā)生了一次,幾乎都是錯(cuò)的,所以一開始我們對(duì)此也持懷疑態(tài)度,”他說?!暗_實(shí)包含了其他研究人員廣泛涉及的一般過程。有許多證據(jù)支持‘木星先向內(nèi)后向外’移動(dòng)的觀點(diǎn),我們深入研究了那些結(jié)果。對(duì)太陽系內(nèi)原來的星體而言,木星的‘大轉(zhuǎn)向’或許更像是一次‘大攻擊’。”
這讓太陽系變得與眾不同,大部分系外行星都和太陽系不一樣。據(jù)巴蒂金預(yù)測,大部分系外行星都是超級(jí)地球,它們的大氣層中含有大量的氫氣,因?yàn)樵谒鼈冃纬蓵r(shí),所在的行星盤還有大量的氣體?!白罱K從本質(zhì)上來說,這意味著像地球這樣的行星并不常見?!?/p>
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