失蹤的第五顆巨行星

在星際空間深處的某個(gè)地方，在遠(yuǎn)離太陽(yáng)的無(wú)盡黑暗之中，有一顆孤獨(dú)的行星正在銀河系中流浪。它的質(zhì)量與海王星相當(dāng)，擁有大氣，富含冰。這顆自由運(yùn)行的行星不受制于任何一顆恒星，漂泊在永恒的黑夜之中。從來(lái)沒(méi)有人見(jiàn)過(guò)它，天文學(xué)家也無(wú)法確切指出它在廣袤宇宙中的下落。它是宇宙中最神秘的天體之一。

或者，至少有一部分天文學(xué)家是這么認(rèn)為的。根據(jù)目前的情況，這樣一顆有趣的巨行星仍是假說(shuō)中的天體，但天文學(xué)家有令人信服的證據(jù)證明它確實(shí)存在。畢竟，在宇宙中可能存在著數(shù)十億顆自由飄蕩的行星不同的是，它們都是養(yǎng)育了它們的行星系統(tǒng)的棄兒。與其他孤兒行星不同的是，在天文學(xué)家提出的一個(gè)理論中，這顆有趣的巨行星對(duì)太陽(yáng)系的形成產(chǎn)生了重要的影響。

美國(guó)西南研究所的天文學(xué)家戴維·內(nèi)斯沃爾尼認(rèn)為，太陽(yáng)系最初有5顆巨行星，而不是今天我們看到的4顆。在太陽(yáng)系的最初階段，第五顆巨行星和木星、土星、天王星以及海王星一同形成，誕生于彼此靠近的區(qū)域中，通過(guò)吸收相同的氣體和塵埃生長(zhǎng)。但是，當(dāng)它們漸漸長(zhǎng)大，博弈也隨之開(kāi)始了。內(nèi)斯沃爾尼通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)，它們之中有一個(gè)必須要被逐出家門(mén)。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)建立在于2005年發(fā)表的尼斯模型上。尼斯模型認(rèn)為，最初巨行星十分靠近太陽(yáng)，彼此之間也非常緊密，之后它們向外遷移到了目前的位置。內(nèi)斯沃爾尼說(shuō)：“這個(gè)模型假設(shè)太陽(yáng)系是不斷演化的，在某一個(gè)點(diǎn)上行星會(huì)變得不穩(wěn)定，所以我就進(jìn)行了數(shù)千次的計(jì)算機(jī)模擬。我想測(cè)算出這一動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性發(fā)生的概率，看看它是如何造就我們今天見(jiàn)到的太陽(yáng)系的?！?/p>

當(dāng)內(nèi)斯沃爾尼最初進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬時(shí)，和之前許多人一樣是在太陽(yáng)系中擁有4顆巨行星的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。在每一次模擬中，不是海王星就是天王星會(huì)被逐出太陽(yáng)系，只剩下3顆巨行星。這無(wú)疑帶來(lái)了一個(gè)大難題，因?yàn)樗c觀測(cè)到的事實(shí)不符?！霸谟?jì)算機(jī)模擬中，最終留有4顆巨行星的概率微乎其微，” 內(nèi)斯沃爾尼說(shuō)，“我進(jìn)行的模擬沒(méi)有一個(gè)能做到這一點(diǎn)。在最好的情況下，要么是天王星，要么是海王星會(huì)被拋射出太陽(yáng)系。因此，我開(kāi)始思考解決這個(gè)問(wèn)題的辦法。”

許多年來(lái)，天文學(xué)家一直熱衷于這種模擬，因?yàn)樗麄兿胫佬行鞘侨绾窝莼侥壳暗臓顟B(tài)的。但讓理論天文學(xué)家困惑的是，相較于太陽(yáng)系外的行星，太陽(yáng)系的行星實(shí)在是太規(guī)則了。例如，在太陽(yáng)系之外，有許多巨行星要遠(yuǎn)比太陽(yáng)系中的更加靠近其宿主恒星，其中一些甚至比水星到太陽(yáng)的距離還要小。

除此之外，其他行星系統(tǒng)中的許多行星都具有大橢圓軌道，而太陽(yáng)系中行星的偏心率都很小。這些現(xiàn)象表明，行星系統(tǒng)的多樣性和可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們?cè)?jīng)的想象?；蛟S，在太陽(yáng)系中曾經(jīng)存在過(guò)第五顆巨行星也絕非不可能。

“我首先增大了原行星盤(pán)的質(zhì)量，雖然這可以保留下最外面的兩顆巨行星，但會(huì)得出其他不可能的結(jié)果?！闭谶M(jìn)行這項(xiàng)研究的內(nèi)斯沃爾尼說(shuō)，“每到這個(gè)時(shí)候，我都會(huì)得到一個(gè)與目前情況并不相符的太陽(yáng)系。但是，當(dāng)我增加了一顆巨行星之后，一切都改變了。”

通過(guò)改變質(zhì)量和位置，內(nèi)斯沃爾尼對(duì)額外的行星進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他最終提出了一個(gè)模型，一個(gè)包含木星、土星以及另外3顆冰質(zhì)巨行星（這里面有2顆是我們已知的天王星和海王星，另一顆則是他加進(jìn)去的額外行星）的模型。這一“五巨行星理論”是一個(gè)驚人的想法。雖然該理論剛剛起步，但有令人信服的證據(jù)支持它，而且它還能就這顆額外的行星有什么樣的特性以及它今天可能身在何方給出一些有趣的線索。

首先，可以肯定它是一顆冰質(zhì)巨行星。如果它是氣態(tài)巨行星，它的質(zhì)量將比天王星和海王星更大并導(dǎo)致極強(qiáng)的不穩(wěn)定性，還會(huì)使得木星軌道的偏心率變得與今天我們看到的不相符，因此行不通。此外，它必須是一顆質(zhì)量與海王星相當(dāng)?shù)男行?。如果添加一顆地球大小的行星，或者是一顆質(zhì)量是海王星1.5倍的行星，又或者質(zhì)量?jī)H為海王星1/2的行星，計(jì)算機(jī)模擬同樣無(wú)法奏效。

更重要的是，這顆巨行星需要被放置在土星和天王星的初始軌道之間——也就是10天文單位至15天文單位之間——計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果才最好。至于這顆行星的顏色，借由其他行星的形成過(guò)程而做出的最佳猜測(cè)是，它很可能具有和海王星相同的顏色和溫度。

這顆額外的行星被人們以希臘神話中冥界之神的名字非正式地命名為“哈迪斯”。幾乎可以肯定的是，它會(huì)以與海王星相同的方式形成。想象這顆額外巨行星的形成絕對(duì)不是問(wèn)題，因?yàn)楦鶕?jù)不同的行星形成理論，在外太陽(yáng)系中常常會(huì)形成2顆以上的冰質(zhì)巨行星，多出這顆額外的冰質(zhì)巨行星不是什么大問(wèn)題，對(duì)于認(rèn)識(shí)目前外太陽(yáng)系中僅有的2顆冰質(zhì)巨行星也不會(huì)造成什么影響。它有著與天王星和海王星相同的形成機(jī)制——受青睞的行星吸積理論，該理論認(rèn)為行星通過(guò)吸積

物質(zhì)形成并生長(zhǎng)。

當(dāng)然，計(jì)算機(jī)模擬也支持這顆額外的巨行星的存在。把第五顆行星加入模型中，超過(guò)1/2的模擬都會(huì)演化出今天我們看到的太陽(yáng)系。在每一種情況下，模擬結(jié)果都會(huì)給出一個(gè)只有4顆巨行星——木星、土星、天王星和海王星——的太陽(yáng)系，它們都位于今天所在的軌道上。對(duì)內(nèi)斯沃爾尼來(lái)說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)是不容忽視的，值得更多的研究。

但這些研究導(dǎo)致了一些不可避免的問(wèn)題：增加的這顆巨行星是如何使得太陽(yáng)系最終演化成只含4顆巨行星的？這顆巨行星又去了哪里？答案是驚人的：因?yàn)槟拘桥c其他行星的角力，第五顆巨行星——并非天王星或海王星——被猛烈地拋射進(jìn)了星際空間。這意味著，木星成為殺手，而這顆額外的行星成了替罪羊。如果沒(méi)有這顆行星，海王星或者天王星就會(huì)被拋射出去，因?yàn)橹辽儆幸活w冰質(zhì)巨行星必須被逐出太陽(yáng)系。

木星要比天王星和海王星大得多，因此它幾乎不受影響。通常的結(jié)果是，在幾次交會(huì)之后，木星會(huì)使得這顆額外的冰質(zhì)巨行星的半長(zhǎng)軸增大，因此它會(huì)離太陽(yáng)越來(lái)越遠(yuǎn)。這會(huì)使得它的軌道越來(lái)越偏離圓形，直到它的速度超過(guò)它所處位置的逃逸速度。因此，這顆冰質(zhì)巨行星就會(huì)被拋射進(jìn)星際空間。

有趣的是，這顆巨行星的運(yùn)動(dòng)速度其實(shí)并不算高。計(jì)算機(jī)模擬表明，它逃逸的速度只有1000米/秒。這聽(tīng)起來(lái)似乎很快，但比起地球圍繞太陽(yáng)30千米/秒的公轉(zhuǎn)速度，該數(shù)值絕對(duì)不算高，以天文學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，甚至可以說(shuō)是龜速。但是，由于這一拋射事件發(fā)生在很久很久以前，所以當(dāng)一個(gè)天體以1000米/秒的速度運(yùn)動(dòng)了40億年之后，也已經(jīng)走出了非常遙遠(yuǎn)的距離?，F(xiàn)在，這顆行星應(yīng)該會(huì)在銀河系中距離我們相對(duì)較遠(yuǎn)的地方。

在早期太陽(yáng)系中增加一顆額外的行星有助于解釋太陽(yáng)系的4顆巨行星是如何定居在它們現(xiàn)在的軌道上的，同時(shí)也為月球上絕大多數(shù)環(huán)形山的成因提供了某種解釋。地球也曾遭受到猛烈的小天體轟擊，但由于地質(zhì)學(xué)和生物學(xué)活動(dòng)，這些撞擊坑已經(jīng)被抹掉了。當(dāng)木星在太陽(yáng)系中開(kāi)疆拓土、其他行星尋找自己最終的軌道之時(shí)，位于海王星軌道之外的柯伊伯帶——包含許多彗星、小行星

和冰質(zhì)小天體——也受到了擾動(dòng)。

在太陽(yáng)系歷史的這一早期階段，柯伊伯帶仍在形成中，這一擾動(dòng)使得其中的許多小天體飛向內(nèi)太陽(yáng)系。在41億至38億年前，這些高速運(yùn)動(dòng)的天體撞上了剛剛形成的類(lèi)地行星和衛(wèi)星。這些觀點(diǎn)是尼斯模型的一部分，與5顆巨行星的假說(shuō)完美相符。更重要的是，早期太陽(yáng)系有5顆巨行星還有助于解釋柯伊伯帶天體是如何聚集到一起的。在柯伊伯帶中距離太陽(yáng)44天文單位處，存在著冰質(zhì)天體的異常聚集現(xiàn)象，它們都有著較低的軌道傾斜和較小的偏心率。天文學(xué)家最初認(rèn)為，這可能是柯伊伯帶天體碰撞的結(jié)果，撞擊出的殘骸形成了這一聚集。但問(wèn)題是，撞擊拋射物的速度通?？梢赃_(dá)到每秒數(shù)百米，會(huì)使得撞擊殘骸分布到一個(gè)非常大的軌道區(qū)域中。這顯然無(wú)法解釋天文學(xué)家觀測(cè)到的聚集現(xiàn)象。

2015年，內(nèi)斯沃爾尼提出一個(gè)觀點(diǎn)，認(rèn)為柯伊伯帶天體曾經(jīng)處于海王星的引力控制范圍之內(nèi)。但是，當(dāng)?shù)谖孱w巨行星在向外遷移的過(guò)程中與海王星發(fā)生引力交會(huì)時(shí)，柯伊伯帶天體便與海王星脫離了“干系”。為了做到這一點(diǎn)，該引力交會(huì)必須使得海王星向前“跳”一大步。由于跟不上海王星的步伐，柯伊伯帶天體便失去了海王星引力的控制，被它遺棄。與此同時(shí)，這一引力交會(huì)也迫使第五顆巨行星進(jìn)一步向外遷移。

在一開(kāi)始進(jìn)行包含柯伊伯帶的計(jì)算機(jī)模擬時(shí)，內(nèi)斯沃爾尼設(shè)定海王星僅具有緩慢的遷移。之后，他引入了由第五顆巨行星引力交會(huì)導(dǎo)致的跳躍，使得海王星從28天文單位跳到了30天文單位。在這之后，海王星恢復(fù)緩慢遷移，但它的軌道已經(jīng)發(fā)生了改變。更重要的是，海王星與第五顆巨行星的相互作用可以解釋柯伊伯帶天體的這一聚集。這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)困擾了天文學(xué)家十幾年，它也許可以作為海王星曾與一顆冰質(zhì)巨行星發(fā)生過(guò)交會(huì)的間接證據(jù)。

然而，事情真的必須如此嗎？第五顆巨行星有沒(méi)有可能目前仍在太陽(yáng)系內(nèi)，與其他4顆一起繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)呢？答案是有可能的。這取決于這個(gè)過(guò)程的初始狀態(tài)。如果驅(qū)動(dòng)行星遷移的外彗星盤(pán)由于某種原因消失了或者質(zhì)量大幅度減少，這一遷移就不會(huì)發(fā)生，行星系統(tǒng)也就不會(huì)因此失穩(wěn)。

在這種情況下，太陽(yáng)系中就會(huì)有5顆外行星，這不會(huì)讓天文學(xué)家感到驚訝。我們會(huì)看到2顆海王星、1顆天王星、1顆土星和1顆木星，而今天我們將試圖解釋它們是如何形成的。但對(duì)今天的太陽(yáng)系來(lái)說(shuō)，添加第五顆巨行星是解釋所有觀測(cè)事實(shí)的途徑之一。這無(wú)疑是一個(gè)有趣的假說(shuō)。