太阳系形成新论

[ 录入者:champagnecat | 时间:2018-06-03 22:14:41 | 作者:京晶 译 | 来源:Astronomy | 浏览:1374次 ]
作者:Jesse Emspak 原文来自:Astronomy   Posted:2018年5月刊
编译:京晶   审校:数星星的猫 (编译版权所有,未经许可请勿转载)

 

在早期的太阳系里到处是微小的星子,如同上图模拟的在年轻的土星上看到的天空一般。土星可能是在距离太阳3.5个天文单位(简称AU)远处形成的,之后向内移动到1.5个AU,然后再掉头向外移动到现在的位置。(图片来源:RON MILLER FOR ASTRONOMY)

就在不久前,太阳系的起源似乎还是一件井然有序的事。在幼年的太阳周围聚集着一团气体尘埃云。在靠近太阳的地方,挥发性物质(如水和其它冰状物)在相对较低的温度下蒸发变成气体,留下岩体行星。更远处,在“雪线”外,挥发物凝聚形成气态巨行星。地球碰巧成了质量最大的岩体行星,木星则很偶然地成为了巨行星的主宰。

行星形成后很快就经历了一场持续3亿年的连续轰击。这场所谓的“后猛烈轰击期”(Late Heavy Bombardment)给月球、水星以及其它没有大气层的天体留下满脸的麻子坑。大约38亿年前,那场轰击结束以后,整个太阳系安静了下来,只有古怪的彗星或者小行星冷不丁进入内太阳系并撞击地球——例如6600万年前杀死恐龙的那次撞击。行星学家认为其它“太阳系”看上去与我们的太阳系大致差不多;毕竟,哥白尼原理告诉我们,我们并不特殊,我们的太阳系也可能再普通不过。

坑坑洼洼的月球高地证实了曾有一段持续约3亿年的密集轰击期。巨行星的迁移搅动了遥远的柯伊伯带,可能是引起这场轰击的罪魁祸首。(图片来源:CONSOLIDATED LUNAR ATLAS/UA/LPL)


天文学家现在知道这些太阳系形成学说大错特错。行星很可能像台球一样在太阳周围弹来弹去,后来才在现在的位置上安定下来。对系外行星持续20年的观测显示,我们的太阳系实际上相当古怪。不过,这也留下了这样的问题:它是怎么演变成今天这幅样子的?


不是你,是我
我们的太阳系形成理论有点问题。系外行星就是最先表明这一点的迹象之一。这些证据大部分来自于美国宇航局(NASA)的开普勒飞船。“开普勒”紧盯着恒星,搜寻从它们前方横穿而过的行星。这种凌星现象能够告诉我们这些行星的个头和公转轨道周期。当2009年“开普勒”上天时,得到证认的系外行星系统只有小几百个。后来,“开普勒”把这个数目提升到了几千个。

如果把经过证认的行星的轨道周期和半径分别作为横、纵坐标轴,绝大多数行星都分布在1至10倍地球半径和120天、甚至更少的轨道周期围成的区域里。多行星系统似乎拥有不少超级地球(super-Earth)——比地球个头大、但质量不超过17倍地球质量(约为海王星的质量)的岩体行星。截至目前,在已发现的3700多个系外行星里,超级地球最为常见,可我们的太阳系却连一颗都没有。

一向会出现(虽然没那么频繁)的另一类行星是热类木星(hot Jupiter)。这些气态巨行星距离它们的母星比较近。1995年,天文学家发现了第一颗围绕类太阳恒星转动的系外行星51 Pegasi b,最终被证实就是一颗热类木星。这颗行星现在名叫Dimidium。它的质量只有木星质量的一半大,每4.2天绕母星转一圈,与母星的平均距离为780万公里。与之相比,水星每88天绕太阳一圈,而且绝不会跑到离太阳4600万公里以内的地方去。当前公认的理论模型无法让一颗如木星般大小的行星离它的母星那么近。Dimidium肯定移动过。

美国普杜大学(Purdue University)研究行星轰击与形成的科学家David Minton说:“在大家公认的标准模型里,内盘比较干燥,缺少挥发性物质,只有像水星这样富含铁的致密行星。系统的外部则比较寒冷,物质密度也比较低。但‘开普勒’的观测完全改变了这个想法。”

这些结果可能存在观测偏差。寻找行星的方法倾向于找到公转轨道周期短的大质量行星。在科学家发现的系外行星里,绝大多数都是通过“开普勒”的凌星方法或者用光谱仪观测恒星视向速度的微小变化找到的。要是外星球的天文学家用像“开普勒”这样的望远镜观察我们的太阳系,就得等上至少24年才能看到木星绕太阳转两圈——这是证实太阳系有行星所需的最少的行星公转次数。

然而,即便考虑到这个偏差,超级地球和热类木星的存在也表明行星形成模型最起码需要调整。


缺少的质量与火星
除了系外行星,就在离我们不远的地方还有其它线索。行星科学家尝试用技术越来越成熟的计算机模拟建造太阳系,结果发现模拟的火星质量总是比真实的火星质量大5至10倍。

此外,形成行星的物质盘模型假定盘内的物质密度呈均匀分布。法国尼斯蔚蓝海岸天文台的天文学家Alessandro Morbidelli一直从事行星动力学建模工作。他说,密度均匀分布至少会导致在今天小行星带所在的地方聚集起如地球质量那样大小的物质。但事实上,整个小行星带的质量只有地球质量的万分之几。缺少的那部分物质肯定去了某个地方。

那么,在行星形成初期,在恒星的周围应该会有物质遗迹。理由很简单:促进行星形成的碰撞过程也会把物质撞碎。“物质互相撞击会留下大量物质遗迹,”加拿大多伦多行星科学研究中心的Alan Jackson说。而且那些遗迹应该会漂浮几百万年。

所以,如果碰撞模型是正确的,我们应该在其它恒星的周围找到更多石块。这些东西比行星更容易被看见,Jackson说。因为小碎块的表面积比行星的表面积大多了。“这就是为什么我们自从20世纪80年代就已知道Beta Pictoris周围有遗迹盘了,”他说。“有多少恒星有遗迹盘?远不够多。”

如果要在几百万年时间里孕育出行星,遗迹盘(类似图中环绕恒星Beta Pictoris的那个)就应该十分常见。然而,行星的迁移能够迅速清空盘里的物质,使遗迹盘成了稀罕物。(图片来源:ESO/A.-M. LAGRANGE ET AL.)

2016年8月,哈佛-史密松天体物理中心的天体物理学家Scott Kenyon写了一篇论文,提出类地行星的形成过程实际上可能“既快又简洁。”该理论认为,不过几十万年时间行星就形成了,而且残留的石块在撞击行星时也较少有气体被拉走和尘埃形成。类似的过程可能也曾发生在太阳系——虽然仍无法解释火星的质量为什么这么低。


确凿证据
内太阳系被清空,靠外的小行星带和更远的柯伊伯带显然也被搅动过。两者都是由成群的小天体组成,这些小天体的轨道向着行星倾斜得很厉害。唯一可能发生的就是有什么东西把它们驱散到那样的轨道上。柯伊伯带里的冥王星就是一个不错的例子。“冥王星现在的轨道意味着它是被推到那里去的,” 北爱尔兰贝尔法斯特皇后大学(Queens University)的行星天文学家Michele Bannister说。

巨行星的迁移扰动遥远的柯伊伯带及其最著名的成员——冥王星。在太阳系外围物质匮乏,冥王星无法在那里形成。(图片来源:NASA/JHUAPL/SwRII)


在小行星带里,谷神星最惹眼。NASA的“曙光号”小行星探测项目向我们表明,谷神星看上去与它的大多数同类不太一样——它拥有的挥发性物质多得超出我们的预期。“谷神星可能是外来的,”Morbidelli说。他认为谷神星有可能是从外面(雪线以外的地方)逃到小行星带避难的。


谷神星是小行星带(位于火星和木星之间)里最大的天体。这颗矮行星拥有的挥发性物质多得超出我们的预期,暗示了它是在离太阳更远的地方形成,然后跑到内太阳系来的。(图片来源:NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA)


其它小行星也有经历过激烈事件的迹象。Minton与一个研究团组正在研究C类小行星。此类小天体是碳粒陨星的前身。有证据表明这些陨石曾经经历过高温过程:在其内部有类似金属熔滴的结构。“这种物质看上去好像是汽化后再次凝结形成的,”Minton说。“我们认为它们是极高速撞击造成的。”

有证据表明行星的迁移是罪魁祸首。一个名为“大迁移”的模型(Grand Tack)指出,第一个进入内太阳系的就是木星。


移动的巨行星
2011年,美国科罗拉多州博尔德市西南研究所的Kevin Walsh、法国波尔多大学的Sean Raymond、美国亚利桑那州图森市行星科学研究所的David O’Brien、NASA戈达德航天中心的Avi Mandell,还有Morbidelli在《自然》杂志上发表论文,首次提出大迁移模型。该理论描述了在原行星成形后不久、太阳系年龄不超过几百万年期间发生的事。大迁移模型认为行星并非同时形成,而是木星最先形成,土星和冰巨星——天王星和海王星紧随其后形成。

太阳系的早期演化主要受木星控制。木星向内移动限制了类地行星的成长,后来的向外迁移又把巨行星带走了。(图片来源:NASA/JPL/SSI)
 

根据这个理论,木星是在距离太阳3.5个天文单位处形成的(日地之间的距离是一个天文单位)。行星成形后在原恒星盘里清理出一条“小路”,同时还从它的前方与后方巨大的“拖尾”里吸收物质。行星周围的物质对行星施加了强大的扭矩。

由于以气体为主的恒星盘质量较大(大大超过木星和其它早期行星的质量总和),它开始吸走木星的动量,使后者盘旋着向内移动。与此同时,土星紧随木星之后,在4.5个天文单位处形成。与木星一样,土星也在扭矩的作用下向内旋入。木星移动到1.5个天文单位处(也就是火星现在的位置)便不再移动。木星和土星达到了平均运动共振状态(mean motion resonance),即木星每公转3圈,土星就转2圈。这种轨道共振产生了类似刹车的效果。迁移大约持续了10万年,从地质学角度看,这只不过是一眨眼的功夫。

2011年,天文学家提出大迁移模型来解释火星的质量为什么这么低。在该模型里,木星最初是在距离太阳约3.5个天文单位处形成的,然后向内移动到1.5个天文单位处,之后又向外移动到它现在的位置(5.2个天文单位)。其中的关键阶段包括了60万年后木星的形成。(图片来源:ASTRONOMY: ROEN KELLY)


在木星和土星向内太阳系移动的路上,它们把其它天体抛入太阳或者完全踢出太阳系。清理出来的区域就是以后小行星带所在的位置,在火星附近也没留下多少物质供它成长。木星的出现基本上把大量制造行星的原料都给移走了。

如果太阳系以一种井然有序的方式脱胎于一个密度相对比较均匀的物质盘,火星的质量就应该比现在的质量还要大5至10倍。天文学家认为是木星把火星附近的气体带走了,断了它的物质食粮。(图片来源:ESA/MPS/OSIRIS TEAM)

木星轨道内残留的气体和尘埃绕太阳旋转的速度比木星快,对木星的轨道施加了一个外向作用力,于是两颗巨行星开始向外撤退。“这是一种潮汐作用,”Morbidelli说。“这与地球转得比月球快,把月球往外推是一样的。所以,质量仍然很大的内恒星盘最终获胜,木星拉着土星一起向外移动,这多亏了土星和木星处于轨道共振状态。”

对我们来说幸运的是,木星再次向外移动,剩余的星子以太阳为中心、在今天的地球与金星之间形成一个环。火星位于这个环的外边界,永远无法长大。当两颗巨行星向外移动时,它们又把物质踢回了未来小行星带所在的区域。

大迁移模型解释了火星个头较小、缺少超级地球以及小行星带物质缺乏的原因。它还解决了地球上水的来源问题。许多行星学家认为是小行星给地球带来了水。由于木星和土星把小天体从如今小行星带所在的区域里给踢了出来,富含水的天体就有可能撞向地球。

美国加州理工学院的Konstantin Batygin和圣克鲁兹加州大学的Greg Laughlin提出另一种大迁移模型,假定在太阳系早期曾经有过超级地球。但由于木星和土星搅扰内太阳系,超级地球们最后都旋转落入了太阳。

当木星和土星迁移回外太阳系,它们把天王星和海王星也束缚在共振轨道里,阻止了其它大天体闯入内太阳系。“要是没有木星,天王星和海王星就会跑到水星轨道以内的地方去,”Morbidelli说。“恐怕就不会留下多少物质来形成类地行星了。”

冰巨星海王星现在距离太阳30个天文单位,但它可能是在那个距离的四分之一的地方形成的。它和天王星被木星巨大的引力束缚着,其轨道与木星的轨道处于共振状态,还被木星带着一起向外迁移。(图片来源: NASA/JPL)


宝贝,好冰
要让太阳系演变成现在这副模样,还需要重新做一点点调整。2005年,当时在法国蔚蓝海岸天文台工作的Kleomenis Tsiganis、巴西里约热内卢国家天文台的Rodney Gomes、西南研究所的Hal Levison,还有Morbidelli在《自然》杂志发表了一系列论文,提出一个名为尼斯模型的理论(以该理论的诞生地法国尼斯市命名)。这个理论从大迁移模型的结尾——行星形成盘里的尘埃和气体消散开始。在尼斯模型里,天王星和海王星是在比它们现在的位置还要靠内的地方形成的,之后再向外移动。在这个理论后来的一些版本里,天王星和海王星还互换位置,甚至把第三颗冰巨星踢到深空里去了。

线索就在早期太阳星云的模型里。根据星云的物质密度估计值,在太阳系外围没有足够多的物质去形成行星,至少不会很快形成冰巨星。“显然,海王星无法在30个天文单位处形成,”亚利桑那州立大学的理论天体物理学家Steven Desch说。Desch也支持天王星和海王星可能互换过位置的理论。建造海王星需要大量氢,至少需要2倍地球质量那么多。“没有一个模型能让海王星在它现在的位置上吸积到足够多的气体,”他说。“它需要10倍地球质量才能留住气体。如果它在更近的地方(比如15个天文单位)形成,它就能长得够大,足以留住氢气。”

与大迁移模型不同的是,尼斯模型描述的是几百万年的演化过程。因此,天王星和海王星能够与柯伊伯带交换角动量,互换位置。虽然与柯伊伯带天体的每一次相互作用不会产生多大作用,但日积月累,许多柯伊伯带天体被踢向太阳,冰巨星则被推到了现在的位置。尽管如此,Morbidelli不认为行星会互换位置。他说那是“死假说”,并且认为一个包括5颗行星和1颗冰巨星的模型就以足够。

这些移动还可以解释“后猛烈轰击期”。冰巨星在向外移动时搅动早期的柯伊伯带,使富含挥发性物质的天体倾斜着飞入内太阳系。

许多柯伊伯带天体的轨道都明显向大行星倾斜。天文学家猜想可能是移动的天王星和海王星把它们踢到了这些倾角很大的轨道上去。(图片来源:ASTRONOMY: ROEN KELLY)

这场行星群舞就够疯狂了,随后第九颗行星又上场了。


冰冷的外围
2003年,表明柯伊伯带外可能还有一颗大行星的第一个细微迹象出现了。加州理工学院的天文学家Mike Brown注意到塞德娜(Sedna)从来没有跑到距离太阳76个天文单位以内的地方。这个天体的直径约1000公里长,公转轨道特别长。Brown与Batygin还发现了另外5颗有类似轨道的天体。Brown和Batygin提出造成这种现象的唯一原因是一颗行星——但海王星距离太远,不是罪魁祸首。那颗行星的质量是地球质量的好几倍大,可能要花上一千年才能绕太阳转一圈。

如果真有第九颗行星,它也不可能在太阳系外围形成,亚利桑那大学的Kat Volk说。那里没有足够的质量——根据最近的估测,所有柯伊伯带天体的质量总和与月球质量差不多大。在第九颗行星的栖身之地,物质还要更加稀少。

那意味着,如果第九颗行星真的存在,它要么是从更靠近太阳的地方被踢出来的,要么是从一颗路过的恒星那里被偷过来的。每个假说都有自身的问题。Bannister说,很难想象从路过的恒星那里捕获一颗行星,那颗行星必须离它的母星比较远,这就引出一个问题:它是怎么跑到那么远的地方去的。如果它是一颗被踢出来的冰巨星,那么一个仍未解决的重要问题是它最终的轨道是什么样的。Bannister提道,一颗个头和超级地球或者冰巨星差不多的行星核被抛出来后,既有可能飞离太阳系,也有可能在太阳系的边缘徘徊。要让那么大质量的天体跑到外围去,需要很多天体运动协同合作。


虽然古怪又罕见,却是我们的家园
稀有事件也许可以解释太阳系为什么与银河系里的其它行星系统都不一样。Jackson说,很多事都不能出错,才能让木星和土星正确地移动。“在大部分恒星的周围不太可能发生这样的事,”他说。

太阳系很难形成并不意味着它无法形成。“如果想描述一般情况下行星系统的形成过程,就需要内容广泛的演化模型。”Morbidelli说。“在描述单个样本时,你必须像考古学家那样去重建它的历史。常规模式总会有一些例外,就像描述我们每个人的个体生命一样。”

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