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，主要是因為在太陽系的早期歷史上，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》網(wǎng)站上的一篇研究論文提出，木星曾像個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)，一個最有趣的特點是，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?！霸谖覀兊你y河系中，標(biāo)準(zhǔn)的行星系統(tǒng)就像是一套超級地球，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?！昂阈谦C人”計劃已探測到1000多顆圍繞著系外恒星公轉(zhuǎn)的系外行星，包括將近500個有多個行星的恒星系。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)運動的結(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)量相對較?。?/p>

“確實，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，我們是個例外，”巴蒂金說，“但沒有理由認(rèn)為，太陽系沒有按照整個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)一個研究小組就提出了“大轉(zhuǎn)向”假說，2011年法國尼斯天文臺的另一個研究小組再次提出這一觀點。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)在一個巨大的傳送帶上。

“木星在傳送帶上不斷行進(jìn)著，最終將會掉進(jìn)太陽，如果不是因為土星的話?！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。一旦兩個大質(zhì)量行星靠得足夠近，它們就會形成一種固定關(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2∶1的軌道共振中，土星圍繞太陽轉(zhuǎn)兩圈的時間，木星只能轉(zhuǎn)一圈。在這種關(guān)系中，兩個天體會彼此施加萬有引力影響。

“共振允許吸積盤上的兩個行星開放共同通道：它們開始玩這種游戲，彼此交換角動量和能量，幾乎保持同一個節(jié)奏?！卑偷俳鹫f。最終，這種來回互動清空了二者之間的所有氣體，在一個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”在一個狹窄的圓環(huán)區(qū)域，從0.7到1個天文單位（1天文單位是一個平均日地距離）。

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)它向著太陽運動時，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“超級地球”

按照拉弗林和巴蒂金的新解釋，答案在于最初的超級地球——太陽系內(nèi)部的空洞幾乎剛好對應(yīng)著其他恒星系中典型的超級地球所在的位置。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怎樣？那時候，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?！崩チ终f。

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，巨行星通常會向內(nèi)遷移，并在來到類似地球這樣的軌道距離時停止。直到太陽系中形成了土星時，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)他們的計算模擬，隨著木星向內(nèi)移動，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。在那些星子離太陽更近時，它們的軌道變成了橢圓形。“你不可能毫無代價地減小軌道半徑，結(jié)果就會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。巴蒂金的計算結(jié)果顯示，在此期間，每個星子每隔200年就會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大逆風(fēng)，圍繞太陽旋轉(zhuǎn)。持續(xù)進(jìn)行的碰撞雪崩會破壞任何新形成的超級地球，撞碎的殘骸越來越多地飛進(jìn)太陽。

他們做了一個最終模擬，以看看如果恒星系內(nèi)部有著一群超級地球，當(dāng)這一連串碰撞開始后，會發(fā)生什么情況。他們在已經(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個超級地球，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，超級地球都將被驅(qū)入類日恒星。

“這是個非常有效的物理過程，”巴蒂金說。“只要幾個地球質(zhì)量的材料，就能把相當(dāng)于幾十個地球質(zhì)量的行星趕入太陽?！?/p>

太陽系的“星二代”

我們的太陽系也曾有過許多超級地球，地球?qū)儆诘诙行?。這些“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，因為當(dāng)時可用的“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平靜下來進(jìn)入環(huán)形軌道。又經(jīng)過幾百萬年時間，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?！拔覀兙褪菑倪@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。”另一個預(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，幾乎都是錯的，所以一開始我們對此也持懷疑態(tài)度，”他說?！暗_實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’移動的觀點，我們深入研究了那些結(jié)果。對太陽系內(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’?！?/p>

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地球，它們的大氣層中含有大量的氫氣，因為在它們形成時，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>

特別聲明：本文轉(zhuǎn)載僅僅是出于傳播信息的需要，并不意味著代表本網(wǎng)站觀點或證實其內(nèi)容的真實性；如其他媒體、網(wǎng)站或個人從本網(wǎng)站轉(zhuǎn)載使用，須保留本網(wǎng)站注明的“來源”，并自負(fù)版權(quán)等法律責(zé)任；作者如果不希望被轉(zhuǎn)載或者聯(lián)系轉(zhuǎn)載稿費等事宜，請與我們接洽。