太陽系：最奇怪的行星系統

Kepler-20e 的公轉周期僅有6 天，「開普勒」空間望遠鏡發現了很多這種距離恆星非常近的岩質行星。

撰文?康斯坦丁 ? 巴特金（Konstantin Batygin）?格雷戈里 ? 勞克林（Gregory Laughlin）?亞歷山德羅 ? 莫爾比代利（Alessandro Morbidelli）

翻譯?周磊?審校?周禮勇

關於太陽系形成的理論在長年反覆探討中趨於完善。這個理論認為，太陽系在數十億年前誕生於一團由氣體與塵埃組成、緩慢旋轉著的黑暗雲團。雲團坍縮，中心形成了太陽。殘存的氣體和碎片圍繞著太陽旋轉，最終從中產生了八大行星以及冥王星等更小的天體。從那之後，太陽以及一眾行星組成的系統在宇宙中不停旋轉，其運動如鐘錶一般精準且可預測。

最近幾年，天文學家注意到了一些蛛絲馬跡，能證明人們熟知的這個太陽系形成與演化的理論其實並不完全正確。相比於數千個新發現的太陽系外行星系統，太陽系最顯著的特徵——較小的石質行星處於內部，氣態巨行星處於外圍，並且水星軌道之內再無行星——實際上相當「反常」。反轉計算機模擬的時間方向，我們逐漸認識到太陽系的這些反常之處乃是其動蕩的早期經歷的結果。正在重寫的太陽系歷史充滿了遠超大多數人想像的戲劇性和混亂場面。

新的太陽系形成與演化史是這樣的一個故事：行星由出生地被放逐而四處遊盪，迷失的星球早在遠古時代即被投入太陽而浴火毀滅，孤獨的巨行星被驅向冰冷的星際空間邊緣。研究這些遠古事件以及它們留下的痕迹——例如，按推測應該隱藏於冥王星軌道外而未被觀測到的第九顆行星——天文學家正在拼合太陽系形成過程中各關鍵時期的圖景，並對太陽系所處的宇宙環境形成新的認知。

經典的太陽系

恆星形成於質量相當於太陽10 000倍的巨大分子雲的中心，而行星是恆星形成的副產物。分子雲中緻密的核心區域能夠自發坍縮，形成熾熱發光的原恆星，而圍繞中心的原恆星伸展開的則是由氣體和塵埃形成的不透明環，被稱為「原行星盤」。

數十年中，理論天文學家一直在研究太陽的原行星盤，試圖解釋太陽系最鮮明的特徵之一：擁有石質行星和氣態行星兩種截然不同的成員。四顆石質的類地行星軌道周期較短，在88天（水星周期）和687天（火星周期）之間。與之不同，已知的幾顆富含氣體的巨行星處於更遙遠的軌道上，軌道周期在12年到165年之間，它們的質量在類地行星的150倍以上。

天文學家認為，這兩種類型的行星是經由同一種過程形成的。這個過程中，在亂流擾動的氣體盤中繞轉的塵埃微粒相互碰撞、合并，形成千米量級的星子，類似於無人打掃的廚房地板上在氣流和靜電作用下形成的灰塵球。最大的星子也有著最強的引力，它們清掃吸收了徘徊在它們軌道上的碎片，從而迅速增大。自分子雲坍縮後的大概100萬年之內，太陽系原行星盤——正如宇宙中其他原行星盤一樣——就充滿了月球大小的行星胚胎。

最大的行星胚胎存在於如今的小行星帶的外側，那裡遠離初生太陽的光和熱，所以冰（既包括水冰，也包括其他固態的揮發性物質）能夠在原行星盤中存在。在這條「冰線」之外，可用來構築行星的冰非常豐富，行星胚胎大快朵頤，生長出了龐大的身軀。正所謂「富者越富」，最大的行星胚胎也是成長得最快的，因為它強大的引力場能夠從周圍的盤中快速吸收大部分可得到的冰、氣體和塵埃。僅僅100萬年左右，這個貪婪的行星胚胎就成長為木星。理論天文學家認為，此時正是太陽系由石質行星和氣態行星組成的二分結構產生的關鍵時期。由於跟不上木星的步伐，太陽系的其他巨行星只能在木星留下的殘羹冷炙中慢慢成長，吸收的氣體較少，最後的體積也較小。而「冰線」以內的行星則小得多，因為內部的盤中幾乎沒有氣體和冰。

除了一些傷腦筋的細節，例如火星和水星的質量出奇地小，上面這個「木星優先」的行星成長故事似乎能夠完滿地解釋太陽系的結構。正因為如此，對於那些環繞其他恆星的行星系統，天文學家有些先入為主的看法：巨行星一定處於「冰線」之外的長周期軌道上，而石質行星將會處於「冰線」之內周期為數年或更短的軌道上。然而，事實證明這些看法都是不靠譜的。

系外行星大變革

二十多年前，當天文學家開始發現系外行星時，他們也將太陽系形成理論放在星系尺度下檢驗。許多最先發現的系外行星是所謂的「熱木星」，它們圍繞著恆星飛奔，軌道周期只有幾天。在如此靠近恆星表面的炙熱之地，完全不可能有冰存在，因而這些巨行星的存在完全相悖於經典的行星形成理論。為了調和這個矛盾，理論天文學家認定這些行星首先形成於離恆星更遠的地方，後來以某種方式向內遷移至現在的軌道。

此外，根據NASA的「開普勒計劃」等觀測項目所發現的數千顆系外行星，天文學家正接近得出一個令人不安的結論：類似於太陽系的行星系統是相當罕見的。一般的行星系統包含一顆或者更多軌道周期小於100天的「超級地球」（比地球大幾倍的行星），而巨行星（類似於木星和土星）卻相對少見，只有大概10%的恆星周圍發現有巨行星，其中佔據著穩定、近圓軌道的更是少見。

期望的破滅讓理論天文學家意識到，關於太陽系形成的經典理論中，那些「少數傷腦筋的細節」需要更好的解釋。為什麼相對於系外行星系統，內太陽系中的物質被清除得如此乾淨，只有袖珍尺寸的石質行星而非「超級地球」？為什麼在周期88天的水星軌道之內再無行星？還有，為什麼太陽系的巨行星軌道如此穩定並且延展至如此遙遠的距離？

目前看來，這些問題的答案就存在於經典行星形成理論的一處敗筆中：未考慮原行星盤的流體可變性。事實證明，一個剛形成的行星，就像海洋中的一個救生筏，可以遠遠漂離其起點。一旦一顆行星增長到足夠大，它的引力效應就可以通過周圍的盤傳播，激發起螺旋波，而螺旋波本身的引力效應作用於行星和盤，會產生強有力的、或正或負的反饋作用。相應地，動量和能量會發生不可逆的交換，促使年輕的行星在其出生的原行星盤中開始一段史詩般的旅程。

考慮了行星遷移的過程以後，盤內的「冰線」就不再是決定行星系統結構的唯一因素了。例如，在「冰線」之外形成的巨行星能夠通過向內遷移而成為熱木星，當然與之相伴的還有螺旋落向恆星的氣體和塵埃。麻煩在於這個過程太過高效，並且似乎所有的原行星盤都具有這個普遍特性。那麼，該如何解釋木星和土星的軌道離太陽那麼遠呢？

大轉向

2001年，當時在倫敦瑪麗皇后學院的弗雷德里克?馬塞（Frederic Masset）和馬克? 斯內格羅夫（Mark Snellgrove）通過計算機模擬，首次給出了一個令人信服的解釋。他們模擬了土星和木星的軌道在太陽系原行星盤中同時演化的過程。由於土星質量較小，它向內遷移的速度要比木星快。因而在遷移的過程中，土星和木星之間的距離越來越小。最終它們的軌道形成一種特殊的構形——平運動共振，也就是說，土星每繞太陽轉兩圈，木星正好繞太陽轉三圈。

兩顆處於平運動共振的行星能夠反覆交換動量和能量，就像是玩起了行星間的「燙手山芋」遊戲。由於共振攝動（當某個天體在另一個天體的引力作用下運動時，如果還有第三個天體的引力或其他因素對它的運動產生影響，這種影響就被稱為攝動）的相干性，兩顆行星向對方以及周圍的物質施加的引力作用實際上都被放大了。對於木星和土星，這種往複運動使它們的引力聯合作用於原行星盤，在盤上清出一圈巨大的空隙，木星在空隙的內邊緣，而土星在空隙外邊緣。此時，由於木星質量較大，木星對於內側盤的引力作用強於土星對於外側盤的引力作用。不可思議的是，這會導致兩顆行星調轉方向，往遠離太陽的方向運動。這種先向內後向外的遷移方式常被稱作「大轉向」，因為這類似於帆船在風向穩定時改變航向的運動方式。

2011年，即「大轉向」模型的初步構想被提出的10年後，當時在法國蔚藍海岸天文台的凱文?J?沃爾什（Kevin J. Walsh）和同事進行的計算機模擬顯示，「大轉向」模型不僅能清楚解釋木星和土星的動力學演化過程，還能解釋石質和冰質小行星的分布情況以及火星的小質量問題。隨著木星向內遷移，它通過引力作用俘獲並裹挾遷移路徑上的星子，就像鏟雪機一樣把它們挖起來再推到前面。如果我們假設木星在轉向回頭之前遷移到了現在的火星軌道，那麼它可以把總計大約10倍地球質量的冰運送至類地行星區域，從而為這裡帶來了水和其他揮發性物質。這個過程也給內部星雲中的行星構成材料划出了一條清晰的外邊界，阻斷了該邊界附近行星胚胎的成長，使得它只能成為一個小質量的行星，即火星。

大掃蕩

儘管到了2011年，「大轉向」模型看來已經頗具說服力，但天文學家仍不清楚該模型與太陽系另一個未解之謎有何關聯，這個謎就是水星軌道之內為何沒有任何行星。相比於其他在緊鄰恆星的軌道上擠滿了「超級地球」的行星系統，太陽系看起來幾乎就是「空心」的。這究竟是為什麼？太陽系沒有遵循宇宙中行星形成的主流模式，這實在太奇怪了。2015年，本文作者（巴特金和勞克林）研究了「大轉向」模型對鄰近太陽的「超級地球」的影響。我們驚訝地發現，它們無法在「大轉向」中存活下來。更加值得注意的是，木星先向內後向外的遷移方式能夠解釋許多太陽系行星具有的特徵，同樣也能解釋為什麼它們不具備某些特徵。

當木星沖入內太陽系時，它如鏟雪機一般的作用將星子群原本整齊有序的圓軌道攪動成了螺旋交錯的一團亂麻。一些星子猛烈地碰撞，破裂成碎片，而這些碎片又不可避免地導致更多的碰撞和破碎。因而木星向內遷移時極可能引起了一連串大規模碰撞，導致星子群瓦解，把星子碾碎，讓它們變回了巨石、石塊直至沙塵。

受到碰撞、研磨以及氣動阻力（在內盤上含氣體的區域）的作用，正在破裂和瓦解的星子丟失能量，軌道快速衰減，螺旋著落向太陽。在下落過程中，它們很容易被俘獲進入共振狀態，堆積到鄰近太陽的原生「超級地球」附近。

對於這些行星來說，這可是一個天大的壞消息，突然蜂擁而至的碎片群會吸收它們的軌道能量。受到原行星盤上氣流的持續阻滯，碎片群本該直接螺旋落向太陽，但 「超級地球」卻將碎片群挽留在了它的共振區域，在這裡，碎片群持續地從這些行星吸取軌道能量，然後通過氣動阻力以熱量的形式釋放掉這些能量。最終，瓦解的星子形成的碎片群，把這些行星無情地推向「死亡漩渦」，它們的軌道不斷降低，一個接一個地落入太陽。我們的模擬表明，這些行星在星子大規模碰撞開始後最多只能存活幾十萬年。

因此，木星和土星的「大轉向」可能促發了對原本靠近太陽的那些行星的一次「大掃蕩」。曾經存在過的「超級地球」落向太陽，留在它們身後的，是太陽星雲中一片荒涼孤寂的空曠地帶, 一直延伸到軌道周期約100天的地方。這樣一來，木星在早期太陽系內的這一次突然襲擊造就了一條相當窄小的石質碎片環帶，環帶中的碎片再經歷上億年的併合積累之後終於形成類地行星。如此精緻的編排需要一系列偶然事件珠聯璧合的配合，這也就意味著，類似地球的小型石質行星——或許還包括它上面的生命——在整個宇宙中是十分罕有的。

尼斯模型

當木星和土星完成了對內太陽系的突襲並掉頭遠離太陽的時候，太陽周圍的氣體和塵埃盤逐漸消散。木星和土星這對處於共振中的搭檔，最終遇到了新形成的天王星和海王星——或許還有另一個類似大小的天體。藉助正在消散的氣體的引力作用，這對動力學搭檔將這些較小的巨行星也束縛到共振之內。因此，當盤內大多數氣體消散的時候，內太陽系的構造可能就是一條位於目前地球軌道附近的石質碎片環帶，而太陽系外圍，則是處於緊湊共振鏈條上的至少四顆巨行星，它們分布在一系列近圓軌道上，最近的位於現在的木星軌道，最遠則在海王星當前軌道與太陽之間的中點附近。在最外側的巨行星軌道之外，外盤上寒冷的冰質星子一直遠遠延伸到太陽系的邊緣。數億年後，類地行星形成了，一度狂暴不安的外部行星也安定下來進入某種穩定的狀態。然而，這並不是太陽系演化的最終形態。

「大轉向」和同時期的「大掃蕩」，已經給太陽系歷史中的最後一次行星間「暴力行為」搭好了舞台，而這最後一幕終於將太陽系塑造成與我們今日看到的幾乎一致的形態。這最後一幕就是發生於41億年前至38億年前的所謂「晚期重轟炸」，當時太陽系一度變成大量星子橫衝直撞的星子射擊場，如今我們看到的月球上密密麻麻的巨大隕坑就是當時留下的痕迹。

2005年，本文作者莫爾比代利和幾個同事在法國尼斯的蔚藍海岸天文台提出了「尼斯模型」，來解釋巨行星之間的相互作用是怎樣導致晚期重轟炸的。 「大轉向」結束那一刻，正是尼斯模型開始之時。

軌道緊密排列的巨行星仍處於共振狀態，並且仍受到遙遠冰質星子微弱的引力作用。事實上它們的軌道猶如在刀鋒上行走，隨時可能從穩定中跌落。外部星子的每次輕微拖曳都微妙地改變著它們的運動，數幾億年、數百萬個軌道周期的作用積累起來，慢慢地破壞了束縛著它們的脆弱共振平衡。當一顆巨行星脫離與另一顆的共振時，轉折點終於來臨，平衡狀態瓦解、一系列混亂的行星間攝動開始了，這些攝動將木星稍向內推移並把其他巨行星向外散射。宇宙時標下短短的幾百萬年之內，太陽系外部經歷了劇烈的變化，行星緊密排列的近圓軌道轉變為了鬆散無序的偏心軌道。巨行星之間的相互攝動是如此劇烈，以至於有一顆甚至多顆巨行星被散射至恆星際空間。

假如動力學演化就到此為止，太陽系外部的構型將與那些太陽系外巨行星的狀態完美吻合，正如我們所看到的，很多太陽系外的巨行星都處於偏心軌道上。然而，萬幸的是，冰質星子盤既能燃起上述混沌過程的火種，也能通過與巨行星偏心軌道的相互作用撲滅這片混沌的大火。這些星子一個接一個地近距離掠過木星和其他巨行星，大多數被巨行星「甩」出去，並逐漸帶走行星的軌道能量從而將它們的軌道重新「磨」圓。儘管大多數星子都被散射至太陽引力範圍之外，仍有一小部分束縛在圍繞太陽的軌道上，形成冰質的碎片盤，我們如今稱之為柯伊伯帶。

神秘的「第九行星」

第九行星，終極理論

天文學家利用最大的望遠鏡對柯伊伯帶進行耐心觀測，正逐漸揭示柯伊伯帶的全貌，並且發現它有一些出人意料的結構特點。尤為特別的是，天文學家發現，那些幾乎處於探測能力極限的最遙遠柯伊伯帶天體，軌道具有一種非同尋常的模式。儘管這些遙遠柯伊柏帶天體與太陽的距離各不相同，但它們的軌道卻顯示出高度聚集的特徵，就好像它們受到了某種共同的強攝動。加州理工學院的巴特金和邁克爾?E.?布朗（Michael E. Brown）所做的計算機模擬表明，一顆未被觀測到的行星（第九行星）會很自然地導致這樣的軌道分布情形，該行星的質量應有地球的10倍，並且處於一個周期約為20 000年的高度偏心軌道上。這樣的行星不大可能在如此遙遠的區域中形成，但如果它是太陽系初期被從近處趕出來的流亡行星，那就容易理解了。

如果太陽系的第九行星被證實的確存在，那麼這個發現將極大地增進我們對奇怪的空心太陽系的了解，為我們解釋太陽系反常現象的理論提供新的約束條件。現在，天文學家正滿懷激情地調動地球上幾台最大的望遠鏡來搜尋這顆行星。在人類探索自己在宇宙中的位置這一漫長而複雜的故事中，第九行星的發現將是位列倒數第二場的壓軸戲，唯有最後的大軸戲才能勝過它：當然是最終找到存在生命的系外行星。

正如DNA測序能夠揭示人類在遠古時期的遷移歷程一樣，天文學的線索使我們能夠利用計算機模擬重現行星在太陽係數十億年歷史中的壯麗旅程。從太陽系在激蕩的分子雲中誕生，到第一批行星形成，再到導致眾多行星支離破碎的「大轉向」與「大掃蕩」和尼斯模型，最後到生命和智慧在廣闊銀河系中的一顆恆星旁出現，太陽系的完整傳記將會是現代科學最重要的成就之一——並且毫無疑問也是最精彩的故事之一。

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