太阳系是“非正常”恒星系？

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很久很久以前，太阳系中有四颗小的岩石质行星，分别叫水星、金星、地球和火星，还有四颗大的气态行星：木星、土星、天王星和海王星。四颗岩石质行星靠近太阳，因为那里非常热，其他东西都蒸发掉了，只剩下耐热的岩石。在更远的地方，气温低，周围又有大量的冰，所以那里的行星能长成气态的巨行星。



直到最近，关于我们太阳系形成的主流故事都是这么说的;而且天文学家认为，任何恒星系都会是这样形成的。

但是，当我们在银河系其他地方发现大量的恒星系时，竟然没有一个看起来像太阳系的!有跟母恒星靠得很近的气态巨行星，有夹在两颗气态巨行星之间的岩石质行星……总之，关于在什么位置上出现什么样的行星，根本没有定规，什么都有可能。



起初，我们还把这些系外行星视为非正常的特例，但在有了成千的例子之后，我们不得不承认：“非正常”的可能恰恰是我们自己的太阳系!



行星的形成是一个动态过程



1990年代，当第一批系外行星被发现时，我们的太阳系看起来就已经显得有些另类。这些系外行星都是气态巨行星，跟母恒星靠得很近，公转周期只有几天。天文学上称它们为“热木星”。



它们显然是出现在了错误的位置上。行星是由一颗年轻恒星周围的气体尘埃盘(叫原行星盘)形成的。要形成一颗气态巨行星，你首先需要一个数倍于地球质量的固体核作为引力中心，气体可以在其周围积聚。其次，形成地点不能太靠近恒星，否则强烈的辐射会使尘埃和气体蒸发。



所以，按以太阳系为标准的恒星系形成理论，这些热木星不可能诞生于它们现在所在的地方，那么剩下的一个选择是：它们一定是在其他地方形成，然后迁移到现今位置的。



它们是如何迁移的呢?理论家很快想出了一个答案：行星在成长过程中，由于它与原行星盘物质的摩擦或碰撞，有时会使它失去平衡，导致向内或向外做螺旋式的迁移。

这就是说，行星的形成是一个动态过程，而不是我们原先设想的那样，所有行星都诞生于它现在所在的地方，并一直停留在那里。



这种动态过程有助于解释我们观察到的系外行星的怪异现象：像HD 37605 b这样一颗接近其母恒星的气态巨行星，它所遵循的是极扁的椭圆轨道，而不是通常的近圆轨道;还有开普勒-20，其中两颗地球大小的行星在三颗巨行星之间穿梭;还有开普勒-90，它的八颗行星围绕着一颗类似太阳的母恒星运动，但所有行星都被挤到了比日地距离还近的轨道范围以内。



太阳系的形成也不是静态的



那么，有什么证据证明太阳系的形成也是动态的呢?首先，让我们来看看先前理论的漏洞。



根据以前的说法，一颗行星离太阳越远，形成它的固体物质就越多，它也应该越大。然而，超过一定程度，随着物质的密度开始下降，行星应该再次变小。



考察我们的太阳系，天王星和海王星这两颗冰质巨行星，虽然它们确实比木星和土星这两颗更靠近太阳的巨行星小得多，但仍然显得太大，之前的理论无法解释它们是如何形成现在这个样子的。



一个新的行星迁移理论为此提供了一个解决方案。这个理论说，所有这四颗巨行星最初诞生时都彼此离得较近，所以它们的块头都差不多大，后来在引力作用下，才各自迁移到了目前的位置上。



除了解释天王星和海王星的大小之外，由巨行星迁移引起的不稳定会席卷早期的太阳系，导致小行星纷纷坠向太阳，有一些可能被沿途的行星和卫星捕获。这就解释了为什么月球表面遭受到那么多陨石的轰击。这还可以解释木星是如何获得“特洛伊”小行星——这是两群小行星，分别位于木星轨道前方和后方，与木星共用轨道，一起绕着太阳运行，总共大约有1万颗。



在我们的太阳系，还有一个令人困惑的现象。太阳系有像地球这样的小型岩石质行星，也有像海王星这样17倍地球质量以及比它还大的巨行星，但介于两者之间，中等大小的行星却一个都没有。难道它们不易形成吗?可是放眼其他恒星系统，这些中等大小的家伙很多，构成了我们所知的一半以上的系外行星。那么，为什么它们在太阳系偏偏不见踪影呢?



再一次，行星迁移理论可以做出合理的解释。如果木星在某个时候向内迁移，在迁移途中一路吞噬物质，抢夺了本来用于其他行星形成的部分资源，那么剩余物质就不足以形成中等大小的行星了。这也解释了为什么火星小得奇怪，只有地球质量的十分之一。



太阳系真的与众不同吗?



按照行星迁移理论，如果不加控制，木星会把水星、金星、地球推向更靠近太阳的地方，同时自己也会变成一颗热木星。



这一切之所以没有发生，可能正是太阳系跟其他恒星系不同的地方。因为我们的太阳系不是只有一个，而是有两个超级“巨人”——除了木星，另一个是土星。正是这一点拯救了我们。土星的质量约为木星的80%，这意味着它的引力对木星是一个很大的牵制。当木星往内迁移时，土星也跟着向内迁移，而且由于它的质量小，比木星还快。随着它们越来越近，两者被“锁定”在一块，产生共振，这使它们的迁移速度减慢，甚至最后逆转过来，土星牵引着木星往外迁移。



这种情况被称为“大逆航”。虽然造成“大逆航”的原因是什么，我们并没有充分研究清楚，但在动力学上是可能的。通过“大逆航”，木星和土星迁移到了现今的位置。“大逆航”在其他恒星系甚少发生，这可能也是太阳系“非正常”的一个原因。



不过，太阳系的“非正常”也可能是个假象。在系外行星中我们之所以发现更多的是热木星，可能与我们的探测技术有关。因为目前探测系外行星的方法主要有两种，一种叫“径向速度法”，即通过探测母恒星受行星引力影响而产生的轻微摆动来发现系外行星。另一种叫“凌星法”，通过探测行星掠过母恒星表面时引起的恒星亮度的变化来发现系外行星。两种探测技术显然都是行星越大，越靠近母恒星，越容易被探测到，所以更有利于发现非常接近其母恒星的大型行星(即热木星)，而不利于发现接近其母恒星的岩石质行星或者远离其母恒星，像在太阳系木星位置上的巨行星。



如此看来，为了解太阳系的形成，弄清楚它是不是一个“非正常”恒星系，我们还有很多工作要做。



值得庆幸的是，新计划已经在紧锣密鼓的安排之中。欧洲航天局的“盖亚任务”和欧洲南方天文台的甚大望远镜都将以不同的方式寻找系外行星。欧洲航天局计划2026年发射的柏拉图太空望远镜是开普勒太空望远镜的后继者，计划中已被优先安排在类太阳恒星系搜索系外行星。



同时，我们也希望对自己的太阳系有更多的了解。美国宇航局的“露西任务”目前正在前往木星“特洛伊”小行星群的途中。在为期12年的任务中，它将第一次近距离观察它们的特征。如果“特洛伊”小行星群真的是行星迁移的结果，那么它们的组成可能会为早期太阳系的动态提供重要线索。



拓展阅读：当恒星系之间发生碰撞时



在早期的太阳系中，可能还有比行星迁移更具破坏性的力量在起作用。这是一些研究柯伊伯带的天文学家得出的结论。柯伊伯带是太阳系中由海王星以外可能超过10万颗小行星组成的环形地带。



柯伊伯带本身被认为是早期太阳系中行星迁移的产物：一些在内太阳系形成的小行星，由于受行星迁移的扰动，被抛射到远离太阳的地方，形成了柯伊伯带。



按行星迁移理论，随着我们向外走，柯伊伯带的天体应该渐进式地减少。但天文学家看到的情况却与之相反，在离开太阳大约50倍日地距离的地方，天体的数量出现断崖式的下降。这种现象被称为“柯伊伯崖”。还有像矮行星塞德娜这样的柯伊伯带天体，它们出现在极扁的椭圆轨道上，也违背了传统解释。



英国谢菲尔德大学的理查德·帕克认为他有一个答案。他是研究星团的科学家。星团是由很多密集的恒星组成的群体。这些恒星都是从同一团星际气体中形成的。它们靠得很近，彼此影响。



他的基本想法是：恒星之间的引力可以把对方的行星抛来抛去，或者干扰这些行星所形成的原行星盘。最大的恒星甚至可以向邻居恒星系辐射很强的紫外线，蒸发掉后者形成行星的原行星盘。所有这些都会对所产生的行星产生深远的影响。



根据帕克的说法，我们的太阳是在一个星团中诞生的，与另一颗恒星的亲密接触把柯伊伯带中较远、较小的成员拉到了更远的地方，同时也拉扁了其他较大天体的轨道。这种星团内部恒星之间的互动，也导致太阳从其诞生的星团中被弹射出来，这解释了为什么现在太阳周围没有其他恒星伙伴。