「流浪木星」重定義太陽系

木星形成後不久，它隨著旋轉的氣體流動，被慢慢拉向太陽。土星也被拉進來，當兩顆巨行星相互靠近，它們的命運就變得緊密相連了。當木星到達火星現在的位置時，它們掉入太陽的死亡螺旋停止了，之後這對巨行星轉向移動並離太陽越來越遠。開發這種早期太陽系模型的研究人員將其稱為「大遷徙假說（Grand Tack）」。

Credit: NASA/GSFC

長期以來，木星一直是我們太陽的第五顆行星，但是它年輕時可是個流浪者。在很久以前，這顆巨行星朝著太陽系中心移動，之後又向外遷徙，一度到達現在火星的位置。木星的旅程深深地影響了太陽系，改變了小行星帶的性質，使火星變得比它應該的更小。這些細節基於由國際團隊（包括位於馬里蘭州格林貝爾特的NASA戈達德太空飛行中心）開發的早期太陽系的模型。研究結果在一篇2011年6月5日發表在《自然》的論文中報道。

「我們將木星的路徑稱為『大遷徙假說（Grand Tack）』，因為這項研究的主題是木星向太陽移動，然後停止，轉身，向外遷移，」該論文的第一作者、西南研究所（Southwest Research Institute，位於科羅拉多州博爾德市）的Kevin Walsh說，「這種方向的變化就像帆船在浮標繞半圈返航一樣（註：帆船這種操作的動詞稱為『tack』）。」

根據新模型，木星在大約3.5個天文單位（註：1個天文單位，即1AU，是一個平均日地距離）的區域形成。因為當時大量的氣體仍在太陽周圍旋轉，這顆巨大的行星被氣體所吸引並拉向太陽。木星慢慢地向內旋轉，直到它停在大約1.5個天文單位的距離，大約是火星現在的位置（當時火星還不存在）。

「我們推測木星停止向太陽移動是因為土星，」NASA戈達德的行星科學家、該論文的共同作者Avi Mandell說。其他合著者有法國尼斯的天文台（Aservandire de la Cote d"Azur）的Alessandro Morbidelli、法國波爾多天文台（Observatoire de Bordeaux）的Sean Raymond、和行星科學研究所（Planetary Science Institute，位於亞利桑那州圖森）的David O"Brien。

像木星一樣，土星在形成後不久就也被引向太陽。該模型認為，一旦兩顆巨行星相互靠近，它們的命運就會永久地聯繫在一起。漸漸地，兩個行星之間的所有氣體被驅逐出去，使它們向太陽的死亡螺旋停止，並最終逆轉它們的運動方向。這兩顆行星一起向外行進，直到木星達到當前位置的5.2AU，土星則停留在大約7AU。（後來，其他力將土星推向了9.5AU，到達它今天的位置。）

這趟「旅行」花費了數十萬到數百萬年，影響非凡。

在藝術家的概念圖中，氣體和塵埃（製造行星的原材料）圍繞著一顆年輕的恆星旋轉。我們太陽系的行星形成於太陽周圍類似的氣體和塵埃盤。

Credit: NASA/JPL-Caltech

木星的足跡

Mandell說：「木星的遷入遷出可以解決小行星帶的長期謎團：為什麼它由乾燥的岩石小天體和含冰小天體組成。」

天文學家認為小行星帶的存在是因為木星的引力阻止了那裡的岩石材料聚集在一起形成一顆行星，所以該區域仍是一個鬆散的材料集合。一些科學家此前曾考慮過木星在某些時候可能會靠近太陽的可能性，但這導致了一個主要問題：如果這樣，木星會將小行星帶中的物質打散，小行星帶將不復存在。

「很長一段時間，這個想法限制了我們想像中木星可能的活動，」Walsh指出。

大遷徙假說不是讓木星在向太陽移動時摧毀小行星帶，而是說木星擾亂物體並將整個區域推得更遠。 「木星的遷移過程緩慢，」Mandell解釋說，「所以當它接近小行星帶時，這不是一次猛烈的碰撞，而是更像緩慢的互繞步（do-si-do），木星會使小天體偏轉，最後基本上會與小行星帶轉換位置。 「

同樣地，當木星遠離太陽時，行星將小行星帶向內推，使它到達我們熟悉的位置（火星和木星軌道之間）。而且因為木星比之前走得更遠，到達了存在含冰物質的區域，巨大的行星使這些含冰小天體偏向太陽並進入小行星帶。

「最終結果是，小行星帶中有來自內太陽系的岩石物體和來自外太陽系的含冰物體，」Walsh說， 「我們的模型與不同材料的物質所應在的位置一致，就像我們今天在小行星帶看到的那樣。」

可憐的火星

木星在內太陽系流浪時產生了另一個重要影響：它的存在使得火星比本應形成的更小。 「為什麼火星如此之小一直是我們太陽系形成中無法解決的問題，」Mandell說道，「這是團隊開發太陽系形成新模型的最初動力。」

由於火星形成於比金星和地球更遠的位置，它可以吸引來更多的原材料（原因請看注釋），應該比金星和地球更大；但是，它反而更小。 「對於行星科學家來說，這根本說不通，」Mandell補充道。

但是，如果正如大遷徙假說所表示的那樣，木星在內太陽系中溜達了一段時間，它就會分散一些可用於製造行星的材料。大約1AU外大部分材料都會被木星打散，只留給1.5AU處的火星一些微薄的原料。然而，地球和金星並不受影響，它們仍然在材料豐富的區域形成。

「憑藉大遷徙假說，我們開始著手解釋火星的形成；同時，我們不得不考慮小行星帶，」Walsh說，「令我們驚訝的是，該模型對小行星帶的解釋成為最好的結果之一，並幫助我們比以前更好地了解它。」

另一個意外收穫是，新模型將木星、土星和其他巨行星置於與「尼斯模型（Nice model）」非常吻合的位置，這是一個相對較新的理論，可以解釋太陽系歷史中這些大行星的運動。

大遷徙假說也使我們的太陽系與迄今為止發現的其他行星系統非常相似。在許多情況下，被稱為「熱木星（hot Jupiters）」的巨大的氣體巨行星離它們的主星非常近（註：一般只有0.015-0.5AU，而木星軌道半徑約為5AU），比水星離太陽更近。對於行星科學家來說，這種新發現的相似令人感到欣慰。

Walsh說：「知道我們自己的行星在過去經常移動，使太陽系比我們之前以為的更像我們的鄰居，我們不再是一個異類了。」

譯者注釋：

1. 關於太陽系的形成

星系形成始於冷分子雲（基本上是氫分子的集合），它們溫度低密度大，通過重力會吸引氣體、顆粒等物質過來。隨著越來越多的「原料」加入，這些物質會產生凈旋轉、形成圓盤來吸積更多物質。新來物質的勢能變成裡面氣體的動能，越來越多碰撞產生熱，當中心溫度和密度升到足夠高的時候，恆星就形成了。絕大多數材料都被新誕生的恆星吃掉了，圓盤上的剩餘物變成行星、小行星等。而離太陽的遠近決定了什麼物質可以在對應的溫度下凝結、從而成為構成小天體的材料。

在離太陽近的位置，溫度相對較高，只有比較重的元素可以凝結；而隨著離太陽越來越遠，溫度降到約300K以下，「冰（ices，可理解為氫化合物的固態形式）」也會參與到構成行星的活動中來，同時低溫度也使這些行星可以用重力捕捉到氫、氦這種很輕的氣體（為什麼請看2），所以在離太陽遠的地方，有更多「行星原材料」。這就是為什麼太陽系的前四顆都是密度大、體積小、質量小的岩石行星，而後四顆氣態行星的體積和質量都很大。

2.為什麼地球上氫氣很少？

我們知道氫、氦是宇宙中最充足的正常物質（按質量分別佔74%和24%），它們也是氣態行星的主要成分，那為什麼地球上的氫如此少？地球離太陽較近，溫度高，氫分子運動的速度很快，很輕易就可以逃離地球的引力。相反，像木星這樣的巨型氣態星球就可以輕鬆捕捉氫，因為它所在的位置溫度低，氫無法逃離木星的引力。

3.木星質量在天文學中的意義

木星質量（Jupiter mass，符號是MJ）是主要用於量度行星、褐矮星（質量位於行星和恆星之間）質量的單位，一個木星質量（1MJ）是1.90×10^27 kg，不到千分之一太陽質量（Solar mass，符號是M，常用於度量宇宙中其它東西的質量，包括恆星、星系、黑洞等等）。～75MJ (0.08M）是恆星質量的下限，即低於這個質量溫度則無法高到點燃核聚變，無法成為恆星。順帶提一下，～100M是恆星質量的上限，高於這個質量恆星將無法克服自身的重力，難免塌縮的命運。

參見

[1]:https://www.nasa.gov/topics/solarsystem/features/young-jupiter.html

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