地球成形之前，巨行星軌道或曾有過(guò)一場(chǎng)“車(chē)禍”

太陽(yáng)系誕生之初，星際空間中的氣體分子云坍縮，中心部分形成了太陽(yáng)，殘余物質(zhì)繞恒星旋轉(zhuǎn)形成了一個(gè)扁平的原行星盤(pán)，這個(gè)時(shí)期也被稱(chēng)為太陽(yáng)系的氣體盤(pán)時(shí)期，行星成長(zhǎng)在行星盤(pán)內(nèi)，與盤(pán)中氣體相互作用，軌道逐漸圓化并向內(nèi)遷移。

科學(xué)家嘗試通過(guò)研究木星、土星、海王星等天體的動(dòng)力學(xué)變遷，求索太陽(yáng)系的成長(zhǎng)歷程。記者從浙江大學(xué)獲悉，該校物理學(xué)院劉倍貝研究員與法國(guó)波爾多大學(xué)雷蒙德教授、美國(guó)密歇根州立大學(xué)雅格布森教授共同提出太陽(yáng)系巨行星軌道演化的新模型。他們指出，在太陽(yáng)系形成初期，原行星盤(pán)受到太陽(yáng)光致蒸發(fā)作用，盤(pán)中氣體從內(nèi)向外耗散誘發(fā)了巨行星軌道的重塑并引發(fā)動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定。相關(guān)研究成果近日刊登于《自然》雜志。

新模型顯示巨行星軌道不穩(wěn)定發(fā)生時(shí)間更早

巨行星軌道演化對(duì)包括地球在內(nèi)的其他行星、衛(wèi)星和小天體的演化，以及地球生命起源、地球宜居性等多方面影響深遠(yuǎn)。

學(xué)界認(rèn)為，在太陽(yáng)系的氣體盤(pán)時(shí)期，太陽(yáng)系的土星、木星、天王星、海王星等四大巨行星通過(guò)遷移進(jìn)入軌道共振態(tài)，即相鄰行星的公轉(zhuǎn)周期為整數(shù)比。現(xiàn)今，四大巨行星的軌道分布更為開(kāi)闊，巨行星也已脫離了原有的共振狀態(tài)，巨行星的軌道或許經(jīng)歷過(guò)動(dòng)力學(xué)劇變。

“想象一條車(chē)輛正常流通的高架橋，如果有車(chē)輛發(fā)生碰撞追尾，整個(gè)高架橋的行車(chē)秩序就會(huì)被打亂。”劉倍貝說(shuō)。

當(dāng)前描述太陽(yáng)系巨行星演化最流行的模型是尼斯模型。尼斯模型認(rèn)為，巨行星軌道不穩(wěn)定發(fā)生在太陽(yáng)系誕生數(shù)億年之后，那時(shí)原行星盤(pán)氣體耗散，巨行星與外部的星子盤(pán)（由直徑為數(shù)公里到上百公里的星子組成）相互作用不斷交換軌道能量，最終使得行星擺脫共振束縛并引發(fā)動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定。由于該過(guò)程的能量交換十分緩慢，軌道不穩(wěn)定屬于太陽(yáng)系誕生數(shù)億年之后的“晚期不穩(wěn)定”。

劉倍貝團(tuán)隊(duì)提出，前人的研究忽略了氣體盤(pán)耗散過(guò)程中行星受到氣體的反向作用力。可以用氣體盤(pán)的耗散來(lái)解釋行星軌道的演化，這是尼斯模型沒(méi)有考慮到的因素。

“在氣體盤(pán)演化的晚期，太陽(yáng)輻射的高能光子直射行星盤(pán)，形成的強(qiáng)勁光壓首先吹散了靠近太陽(yáng)的氣體，行星盤(pán)內(nèi)部出現(xiàn)了中空的結(jié)構(gòu)。后續(xù)光壓由內(nèi)向外逐步驅(qū)散盤(pán)中剩余氣體，行星盤(pán)質(zhì)量伴隨著盤(pán)內(nèi)邊界向外擴(kuò)張而減小，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為行星盤(pán)的光致蒸發(fā)?！眲⒈敦愓f(shuō)，這時(shí)太陽(yáng)就好比一個(gè)巨型吹風(fēng)機(jī)，不斷“吹”走盤(pán)中的氣體。

劉倍貝團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，由于原初氣體盤(pán)的內(nèi)邊界處氣體的快速耗散，行星在該處受到向外的氣體作用力，這與行星在原初氣體盤(pán)的其他位置受到向內(nèi)的力截然不同。當(dāng)氣體盤(pán)內(nèi)邊界由光致蒸發(fā)向外擴(kuò)張時(shí)，原本向內(nèi)遷移的行星改變運(yùn)動(dòng)方向，隨內(nèi)邊界共同向外移動(dòng)。巨行星由于質(zhì)量不同，它們向外遷移的速度也不同，從而打破原軌道共振態(tài)并引發(fā)了動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定。

“團(tuán)隊(duì)研究表明，該過(guò)程導(dǎo)致的動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定緊隨著氣體盤(pán)耗散，在太陽(yáng)系誕生后約500萬(wàn)到1000萬(wàn)年間發(fā)生。有別于尼斯模型，我們的模型中巨行星軌道不穩(wěn)定發(fā)生的時(shí)間更早。”劉倍貝說(shuō)。

太陽(yáng)系內(nèi)其他天體為新模型提供了佐證

上述論文提出，早期巨行星軌道的動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定，導(dǎo)致起初的四大巨行星與另一個(gè)冰巨星在氣體盤(pán)耗散時(shí)經(jīng)歷了大幅度軌道變化，冰巨星與木星觸碰后被甩出太陽(yáng)系，達(dá)到四大巨行星最終穩(wěn)定的軌道分布，這與如今觀(guān)測(cè)結(jié)果吻合。

劉倍貝介紹，巨行星動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定會(huì)打破太陽(yáng)系原有的平靜，它們強(qiáng)大的引力擾動(dòng)迫使周?chē)√祗w不斷撞向其他行星和衛(wèi)星，并在星體表面留下隕石坑。月球隕石坑有著廣泛的年齡分布，根據(jù)月球隕石坑的年齡分布可知，小行星撞擊事件隨時(shí)間自然衰減，這也與團(tuán)隊(duì)提出的早期不穩(wěn)定模型契合。

此外，類(lèi)地行星的軌道也支持劉倍貝團(tuán)隊(duì)的模型。根據(jù)觀(guān)測(cè)，原始地球形成于原行星盤(pán)階段，在太陽(yáng)系誕生后3000萬(wàn)至1億年間最終長(zhǎng)成。如果巨行星軌道不穩(wěn)定發(fā)生在地球完全形成之前，巨行星軌道動(dòng)蕩有概率觸發(fā)大碰撞事件，誘發(fā)原始地球與一個(gè)火星大小的天體相撞，逐漸形成現(xiàn)今的地月系統(tǒng)。

“按尼斯模型所預(yù)期的，巨行星軌道不穩(wěn)定發(fā)生在地球形成之后，地球就不能成為今天的地球?！眲⒈敦愓J(rèn)為，早期動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定更符合來(lái)自太陽(yáng)系其他天體關(guān)于小行星撞擊時(shí)間的記錄。新模型也可以更好地解釋后續(xù)形成的類(lèi)地行星的質(zhì)量和軌道構(gòu)型，這些均為其有別于傳統(tǒng)模型的優(yōu)點(diǎn)。

“這一模型很可能是太陽(yáng)系演化理論中缺失的成分，文章新穎且意義重大?！薄蹲匀弧冯s志審稿人對(duì)該研究評(píng)價(jià)道。劉倍貝則表示，未來(lái)團(tuán)隊(duì)會(huì)進(jìn)一步探究巨行星軌道演化對(duì)地球形成及其水起源的影響等問(wèn)題。