巨星的躁动：行星迁移改变宇宙格局

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大约38亿到40亿年前，地球遭遇了科学家们称为“晚期重度轰炸”的天文事件：来历不明的小行星和彗星纷落如雨，把大部分地面砸得面目全非。月球上也留下了累累陨坑。

　　这粒尘屑是取自3.5亿公里开外一颗彗星的尾部，此时，在华盛顿大学一座地下实验室的电子显微镜下，它的形象越放越大，直至填满计算机的屏幕，如同一派外星景象。

　　戴夫·约斯韦亚克把镜头聚焦在形如参差断崖的一块暗斑上，将放大率提高到90万倍。斑块化解为墨玉般的细小颗粒。“这些家伙有的横竖不过几个纳米——真不是一般的小。”约斯韦亚克说。他的话音中带着崇敬：“我们认为这是太阳系中一切构造的原始材料，以原貌保存至今。”

　　这粒尘屑有个名字：印缇，印加太阳神的名字。过去的45亿年时光，它可能差不多都是在彗星“维尔德2”内部以深冻状态度过，位置在海王星以外。几十年前，“维尔德2”不知怎的被推入了另一轨道，来到了木星的内侧，并在太阳热力下开始解体。2004年1月，美国宇航局一架名为“星尘”的探测器高速擦过这颗彗星，以气凝胶材料——它蓬松、透光、像固态的烟——捕捉了数以千计的尘屑。两年后，太空舱携带这批微妙货物降落在犹他沙漠里。“星尘”团队从凝胶中剥出尘屑，放到电子显微镜下，窥探我们这个太阳系的起始点。他们被眼前的东西惊呆了。

　　图注：巨星的躁动　地球遭遇的“晚期重度轰炸”可能是源于一次戏剧性的行星轨道紊乱，它使得海王星(画面前景)和天王星扰动了太阳系外围的彗星带，木星则扰动了小行星带。根据尼斯模型——因该假说诞生时所在的法国小镇而得名——木星、土星、天王星和海王星最初于太阳星云(充满岩质、冰质碎屑的圆盘形云团)中形成时离得很近。这四颗巨行星的强大引力将星云中的碎屑或吸收、或甩飞，同时也令自身的轨道缓慢偏移，直到抵达某个临界点。

科学家久已知道，行星、彗星和环绕太阳的其他天体是在大约45亿年前，诞生于一个旋转的圆盘状气体尘埃团——太阳星云。但他们多年来一直以为，天体的形成位置多多少少与其今日的轨道有所重合。如此说来，在海王星外的极寒领域，可用于产生彗星的材料应该只有冰和以碳元素为主的松软尘埃。但“印缇”之中的深色颗粒含有异域矿物——坚硬的零碎岩石和金属，如钨、氮化钛——它们只有在新生太阳附近的空间中，1700摄氏度以上的高温下才会形成。一定是某种猛烈的过程将它们抛到了太阳系外层。

　　“我们看傻眼了。”唐纳德·布朗利说道。他是“星尘”团队的首脑、约斯韦亚克的上司。“我们从太阳系最冰冷的天体中发现了这些生成于最高温环境的物质，真是奇妙。看来太阳系曾把自己从里到外‘翻了个面儿’啊。”

　　我们中的大多数人在年少的时候，都觉得太阳系是可靠而规规矩矩运作的。“那时我们以为有九大行星循着雷打不动的轨道，如钟表般运作，永远如此。”美国亚利桑那大学的雷努·马尔霍特拉说，“过去没有变过，将来也不会变。”这种看法可追溯至牛顿，而在后世天文馆的模型展品及“太阳系仪”等可爱仪器中得到具象体现。17世纪晚期，牛顿提出了以行星与太阳间的引力计算其轨道的方法;不久，钟表匠们便造出越趋精巧的太阳系仪，其中设置了铜制的行星，沿固定不变的路径绕日旋转。

　　图注：很久以前，在火星与木星之间的某处，两颗小行星发生了碰撞。这块900克重的陨石可能是从两者中较大的那颗“灶神星”上崩落的，木星的引力后来把它甩向地球，落入南极的雪原。

　　牛顿自己心里清楚，现实并没有如此爽利。他看到，行星们也会相互作用。它们间的引力拉扯远弱于太阳引力，但年深日久，也能影响近邻行星的路线。结果如布朗利所说：“压根儿就没有正圆形的轨道存在。”理论上，这无止境的引力拉扯能使微小的偏离逐渐加大，直到行星的轨道迁移、交叉或者一塌糊涂。牛顿最后断定，上帝自会时不时出手校准这座天体大钟。但他说不出此事于何时发生。即便是这位发明了微积分的科学巨擘，面对此等“多体问题”也束手无策：没有什么公式可以算出在遥远的未来，多个彼此牵引的星体会进入怎样的轨道。

　　在现实中，当年谁也没见过行星轨道当真发生改变的证据。于是钟表式的太阳系模式在我们的认识中沿袭下来——即便没有上帝的校准似乎也走得稳稳当当。

　　但过去十年间出现了生动得多的理论。不仅“星尘”探测器的发现表明太阳系在“幼儿期”曾辗转反侧，许多科学家如今认为它在“青春期”也颇为躁动：最大的那几颗行星在形成数亿年后，曾杀入新的轨道，把巨大的石块和彗星投向太空的四面八方。依照这种理论，月球伤痕累累的表面即是太阳系一个宏大狂乱期的残留见证。

　　“谁曾想那些庞大的行星还会迁移，以至改变太阳系的整个格局呢?”科罗拉多州西南研究所的艾伦·斯特恩说，这巨变在太空中留有痕迹，但一来需要通过新的望远镜调查来揭示，二来还须借助“数码太阳系仪”——利用强大电脑能力来计算行星的过去未来轨道的智能算法。

　　图注：美国宇航局的实验室里，一位科学家正在审视"星尘"探测器的太空捕获装置，其中藏有飞过“维尔德2”彗星时收集的尘屑。

　　第一个线索来自冥王星。太阳系中这位“怪胎”的轨道上下偏移很大，与八大行星运转的圆盘状轨道不在同一平面上;它与太阳的距离是地球的30到50倍，以椭圆形轨道转动。但最奇特的地方在于它与海王星的牵绊，即轨道共振：后者绕日三周所用的时间，刚好够冥王星公转两周，而且两者从不接近。

　　1993年，雷努·马尔霍特拉推测出了这种同步机制的形成过程。她提出，当太阳系年岁尚轻、充满小行星和彗星的时候，海王星与太阳的距离要比现在近。如果有的小天体接近海王星，就会被后者的强大引力甩开，要么变得离太阳更近，要么彻底飞出太阳系，其动态类似甩出响鞭的过程。由于作用力会招致反作用力，海王星的轨道也会发生一点点改变。只凭人脑，即便是牛顿大人，也无法算出这种作用累积上万亿次的结果，但马尔霍特拉的计算机模型显示，它们的平均效应会促使海王星逐渐远离太阳。按照她的推测，这会导致海王星“捕获”本已远离的冥王星，形成相引相从的共振关系。

　　当年她的同行们对此不大认同，但十年间的观测成果证明马尔霍特拉是对的。天文望远镜对存在于海王星以外广大黑暗空间中的柯伊伯带进行观测，发现了许多类冥天体——与海王星有着同样“二比三”共振关系的冰封矮行星。马尔霍特拉说，发生这种情况的原因只能是海王星朝着柯伊伯带移动，其引力作用像推雪机一样把大批矮行星扫进了新的轨道。“类冥天体一经发现，可以说是一锤定音。”她说，“行星迁移基本成为了教科书上的说法。”

　　图注：美国宇航局的实验室里，一位科学家正在审视"星尘"探测器的太空捕获装置，其中藏有飞过“维尔德2”彗星时收集的尘屑。图中可以看到，它们以2万公里以上的时速穿入捕获装置中的松软气凝胶，每一粒都留下了细如发丝的轨迹。

　　此说面世之时，行星科学家也正为着太阳系的其他几个特点而困惑。本世纪初，太阳系诞生之初的猛烈“阵痛”早已不是新鲜知识：行星并非从太阳星云中温和地凝集而成，却是通过吞噬高速撞来的星子——岩质小行星、冰彗星及较大天体——来成就自身生长。一种理论认为，曾有一颗与火星等大的天体撞上地球，飞溅到卫星轨道中的熔化岩石结合后形成了月亮。这一切可能发生在最初的1亿年间。不明之处在于，狂暴的星体运动并未自此停息。又过了好几亿年，月球受到一系列严重撞击而永久留下了巨大环形山的创痕。这次所谓的“晚期重度轰炸”应使地球受到了更为凶猛的打击。科学家对它的成因一度无法解释，因为当轰炸发生的时候，各大行星基本已把轨道上的零碎天体扫清了。

　　太空望远镜在柯伊伯带发现了一个类似的谜团。那里除了类冥天体，还散布着众多轨道迥异的其他天体：有的聚集在一个圆盘状的平面上，有的聚成甜甜圈形状的松散云团，另一些的轨道拥有比冥王星更夸张的椭圆度。“乱得跟遭了龙卷风似的。”斯特恩在西南研究所的同事哈罗德·利维森说。马尔霍特拉为解释类冥天体轨道而提出的海王星迁移是一种平缓的向外运动，不会把小天体搅得这么乱。

　　与此同时，天文学家开始发现其他恒星周围的行星，并由此大大拓展了对行星系统中各种可能性的认识。被检测到的太阳系外行星如今已达数百颗，它们有的挤在紧密的轨道中，间距比我们太阳系中的行星短得多;有的与木星或海王星差不多大，却在靠近其恒星的奇热轨道上高速旋转;还有的拖着古怪的轨迹在深远的太空中绕圈——总的来看，太阳系外行星的轨道比我们这边的行星更不规则。有些行星甚至在星系外的空间中自在悠游。

　　图注：45亿年前太阳系诸行星的诞生过程极其狂暴。它们通过一系列惊天动地的撞击，吞噬狭路相逢的其他行星胚胎而成长--也许正是其中一次的撞击使得地球拥有了月亮。月球的大体积、低密度等特点表示，它可能是在一颗与火星差不多大的原行星撞上地球、蒸发掉自身及地球的部分岩质外壳之后，从爆炸的碎屑中降生。根据最新的一种假说，月球最初还拥有一个姐妹星。

　　如果说行星诞生于某颗恒星周围旋转的圆盘状星云并自此安守其位的话，上述现象统统是匪夷所思的。那样的形成过程应当造成排布合宜、近圆形的轨道，正如铜制太阳系仪中的那样。显然许多行星都作过迁移，但平缓的迁移似乎解释不了极端的天体轨道和晚期轰炸，至少利维森不这么认为。他开始怀疑，我们太阳系的历史全然不是一帆风顺——它经历过某种“整体引力不稳定”时期。2004年他在休“安息年”长假的时候，与三位同行齐聚于法国尼斯，打算攻克这道难题。

　　利维森身材魁梧，花白稀疏的头发在脑后扎成马尾，颌下一部圣诞老人式的豪放大胡子。他既严肃又滑稽，设在博尔德市的办公室里装点着几幅笔触丰富的旧式星图插画、一个爱因斯坦玩偶和一具机器人模型。他热衷于进行戳人神经的讲话，有时还故意戴一副棒球捕手面具，表示对来自观众席的“拍砖”早有准备。“我接下来要讲的绝对是疯话。”是他在最近一次研讨会上的开场白，“如果我把这言论公开发表，我的职业生涯就可能完蛋。”这番话早在2004年就用得上——他和几位同行参照几十次计算机模拟的结果，提出了如今被称作“尼斯模型”的假说。

　　简而言之，利维森小组认为我们太阳系的四颗巨行星——木星、土星、天王星和海王星——最初形成于比现在紧密得多的近圆形轨道，后三颗与太阳的距离都比现在近。早期，它们都镶嵌于圆盘状的太阳星云，周边仍充满冰质和岩质的碎片。随着几大行星将这些物质或吸收、或在近距离遭遇后甩出，星云圆盘中便渐渐清出了空轨。

　　此时，行星们彼此拉扯，整个系统飘摇欲破，“几乎处于无限混乱的局面。”利维森说。各星体像是被引力的弹簧全部连缀在一起。其中最强的一根“弹簧”连着两颗最大的行星——木星和土星，一抽动就会使整个系统发生震荡。

　　图注：名为“太阳系仪”的旧式模型描绘着一成不变的太阳系运作，而现实中的天体运作具有更强的随机性：一位天文学家说，如果你让一根铅笔滚过桌面，说不定就能使木星10亿年后在轨道上偏离半圈。

　　利维森小组相信，这就是太阳系诞生5亿年到7亿年后的状态。随着行星与星子相互作用，它们的轨道有所变化。木星稍微移向内侧，土星、天王星、海王星则稍向外移。一切都发生得很缓慢——直至到达某个特定的点，土星的公转周期刚好变成木星的两倍。

　　这“一比二”的共振关系不像海王星和冥王星间的共振那样稳定，对于“弹簧”是一记短促而有力的牵引。随着木星和土星在各自轨道的同一位置反反复复地接近、拉扯对方，其近圆形的轨道被拉成我们今日所见的椭圆形。这很快打破了它们之间的精确共振，但在共振终止前，土星已移动到距离天王星、海王星足够近的位置，令后两者加速，并猛烈地向外甩出。利维森小组在尼斯探究的计算机模拟中，有大约一半甚至得出了两星互换位置的结果。

　　图注：灶神星未能成长为一颗行星，但它禁受住了天长日久的打击，如今以超过500公里的直径，居于火星与木星之间小行星带的第三大天体之位。落到地球的陨石之中，有百分之六是灶神星崩落的碎片。

　　天王星和海王星扑进太阳系的外围区域，狂扫仍然密集分布在那里的冰质星子，引发了灾难性的连锁反应。冰球向四面八方弹射，而两大巨星各捕获了其中的几颗，使之成为轨道奇特的卫星。许多天体，也许包括彗星“维尔德2”在内，纷纷散入柯伊伯带。另有不计其数的星体——也许有1万亿颗——被放逐到了更远的奥尔特云，它由彗星构成，如茧般把太阳系包在核心，外围已延伸到距毗邻的恒星大约半途的地方。还有许多彗星被甩入太阳系内部，撞上行星，或者在太阳的热力下解体。

　　图注：美国加利福尼亚州的金石太空天线直径70米，生成的雷达图像可以揭示小行星的大小、速度、距离--以及它是否正向地球飞来。今年2月，一颗直径40米的岩石天体从距离地球27700公里的地方飞过，此接近程度已超过有些人造卫星。

　　此外，巨行星的迁移也扰乱了木星和火星间的岩质小行星带。飞散的小行星加入远道而来的彗星行列，制造了“晚期重度轰炸”。美国宇航局在最近的一次太空任务中，用探测器纪录下了月球过去所受的打击之重：它的整个地壳绽开了深深的裂纹。地球估计被打得更惨，但地质板块的漂移已掩住了那些陨坑。当时若有早期生命存在，也只有在地下深处才活得下来。

　　图注：据科学家推断，木星曾在太阳系早期的大混乱中把上万亿颗彗星--也许还包括几颗行星--甩进了深深的太空。这些星体只受着太阳引力的轻微约束，如今已围绕太阳系组成了一个球形云团，名为奥尔特云。在这幅从云团内侧望出去的假想画面中，太阳和它的司空见惯的“随从”们成了一个明亮的小漩涡，前景里潜伏着一颗人们尚未发现的行星。正兴建于智力的一架新型太空望远镜有望揭示这类行星。

　　按照尼斯模型推测，“晚期重度轰炸”的高峰持续了不到1亿年。但西南研究所的比尔·博特克最近发现，后续的轰击也许在长达20亿年的时间里不断搅扰着地上的生命。当一颗小行星撞进地球时，水滴般的熔化岩石会高高飞入大气，之后又变成玻璃珠般的小球落下。约6500万年前撞击尤卡坦半岛、令恐龙灭绝的小行星直径有10公里，它洒落的小石球在全球许多地方都有出土。迄今科学家已至少发现了十几处可与之相比的小球矿床，代表着发生于37亿年前到18亿年前的一系列小行星撞击。

　　博特克的小组用计算机模拟来追查这些轰击的源头，发现是来自小行星带现已消失的内环。博特克说，其间可能有多达70颗小行星撞上地球，每颗都能与灭尽恐龙的那一颗相比。

　　彗星尘屑中的天崩地裂起笔：行星迁移改变格局。