太阳系消失的巨行星 失踪的第五颗巨行星

伤我心太深

　　你是不是有过总是少了点什么的感觉?研究太阳系的天文学家确实如此。有关太阳系演化的最佳模型似乎总是在暗示外太阳系中不应该只有4颗巨行星，而应该有5颗。



　　2011年，计算机模拟表明，如果少了第五颗神秘的行星，太阳系早期的强引力作用将必然导致灾难性的后果：随着4颗巨行星慢慢迁移到它们当前的位置，它们会扰动内太阳系天体，使太阳系几乎不可能演化成现在的样子。

　　但有5颗巨行星参与这一角力之后，迁移就会快速进行，可以确保最内层的岩质行星安然无恙。更重要的是，这五巨头之一会被抛射到太阳系的最边缘，只留下今天我们看到的4颗外太阳
　　系巨行星。

　　那么，这位岩质行星的守护天使最终去了哪里?其实，围绕“第九行星”的怀疑一直暗流涌动，2016年年初有天文学家声称发现了它。天文学家根据冥王星轨道之外数个柯伊伯带天体的反常聚集推断出了该天体的存在，认为它的轨道半径是地球的600倍，至少需要10000年才能绕太阳公转一周，是太阳系中最遥远的天体之一。

如果没有它的引力作用，很难解释天文学家观测到的柯伊伯带天体聚集现象。这一观点虽然逻辑上行得通，但迄今直接的天文观测还什么都没有发现。

　　该天体一旦被确认，必将是一个了不起的发现，成为太阳系形成和演化的“五巨头”模型的强有力证据。

失踪的第五颗巨行星

　　在星际空间深处的某个地方，在远离太阳的无尽黑暗之中，有一颗孤独的行星正在银河系中流浪。它的质量与海王星相当，拥有大气，富含冰。这颗自由运行的行星不受制于任何一颗恒星，漂泊在永恒的黑夜之中。从来没有人见过它，天文学家也无法确切指出它在广袤宇宙中的下落。它是宇宙中最神秘的天体之一。




　　或者，至少有一部分天文学家是这么认为的。根据目前的情况，这样一颗有趣的巨行星仍是假说中的天体，但天文学家有令人信服的证据证明它确实存在。毕竟，在宇宙中可能存在着数十亿颗自由飘荡的行星不同的是，它们都是养育了它们的行星系统的弃儿。与其他孤儿行星不同的是，在天文学家提出的一个理论中，这颗有趣的巨行星对太阳系的形成产生了重要的影响。


　　美国西南研究所的天文学家戴维·内斯沃尔尼认为，太阳系最初有5颗巨行星，而不是今天我们看到的4颗。在太阳系的最初阶段，第五颗巨行星和木星、土星、天王星以及海王星一同形成，诞生于彼此靠近的区域中，通过吸收相同的气体和尘埃生长。但是，当它们渐渐长大，博弈也随之开始了。内斯沃尔尼通过计算机模拟发现，它们之中有一个必须要被逐出家门。


　　这个发现建立在于2005年发表的尼斯模型上。尼斯模型认为，最初巨行星十分靠近太阳，彼此之间也非常紧密，之后它们向外迁移到了目前的位置。内斯沃尔尼说：“这个模型假设太阳系是不断演化的，在某一个点上行星会变得不稳定，所以我就进行了数千次的计算机模拟。我想测算出这一动力学不稳定性发生的概率，看看它是如何造就我们今天见到的太阳系的。”

　　当内斯沃尔尼最初进行计算机模拟时，和之前许多人一样是在太阳系中拥有4颗巨行星的基础上进行的。在每一次模拟中，不是海王星就是天王星会被逐出太阳系，只剩下3颗巨行星。这无疑带来了一个大难题，因为它与观测到的事实不符。“在计算机模拟中，最终留有4颗巨行星的概率微乎其微，” 内斯沃尔尼说，“我进行的模拟没有一个能做到这一点。在最好的情况下，要么是天王星，要么是海王星会被抛射出太阳系。因此，我开始思考解决这个问题的办法。”


　　许多年来，天文学家一直热衷于这种模拟，因为他们想知道行星是如何演化到目前的状态的。但让理论天文学家困惑的是，相较于太阳系外的行星，太阳系的行星实在是太规则了。例如，在太阳系之外，有许多巨行星要远比太阳系中的更加靠近其宿主恒星，其中一些甚至比水星到太阳的距离还要小。


　　除此之外，其他行星系统中的许多行星都具有大椭圆轨道，而太阳系中行星的偏心率都很小。这些现象表明，行星系统的多样性和可能性远远超出了我们曾经的想象。或许，在太阳系中曾经存在过第五颗巨行星也绝非不可能。


　　“我首先增大了原行星盘的质量，虽然这可以保留下最外面的两颗巨行星，但会得出其他不可能的结果。”正在进行这项研究的内斯沃尔尼说，“每到这个时候，我都会得到一个与目前情况并不相符的太阳系。但是，当我增加了一颗巨行星之后，一切都改变了。”


　　通过改变质量和位置，内斯沃尔尼对额外的行星进行了实验。他最终提出了一个模型，一个包含木星、土星以及另外3颗冰质巨行星(这里面有2颗是我们已知的天王星和海王星，另一颗则是他加进去的额外行星)的模型。这一“五巨行星理论”是一个惊人的想法。虽然该理论刚刚起步，但有令人信服的证据支持它，而且它还能就这颗额外的行星有什么样的特性以及它今天可能身在何方给出一些有趣的线索。


　　首先，可以肯定它是一颗冰质巨行星。如果它是气态巨行星，它的质量将比天王星和海王星更大并导致极强的不稳定性，还会使得木星轨道的偏心率变得与今天我们看到的不相符，因此行不通。此外，它必须是一颗质量与海王星相当的行星。如果添加一颗地球大小的行星，或者是一颗质量是海王星1.5倍的行星，又或者质量仅为海王星1/2的行星，计算机模拟同样无法奏效。

　　更重要的是，这颗巨行星需要被放置在土星和天王星的初始轨道之间——也就是10天文单位至15天文单位之间——计算机模拟的结果才最好。至于这颗行星的颜色，借由其他行星的形成过程而做出的最佳猜测是，它很可能具有和海王星相同的颜色和温度。

　　这颗额外的行星被人们以希腊神话中冥界之神的名字非正式地命名为“哈迪斯”。几乎可以肯定的是，它会以与海王星相同的方式形成。想象这颗额外巨行星的形成绝对不是问题，因为根据不同的行星形成理论，在外太阳系中常常会形成2颗以上的冰质巨行星，多出这颗额外的冰质巨行星不是什么大问题，对于认识目前外太阳系中仅有的2颗冰质巨行星也不会造成什么影响。它有着与天王星和海王星相同的形成机制——受青睐的行星吸积理论，该理论认为行星通过吸积物质形成并生长。




　　当然，计算机模拟也支持这颗额外的巨行星的存在。把第五颗行星加入模型中，超过1/2的模拟都会演化出今天我们看到的太阳系。在每一种情况下，模拟结果都会给出一个只有4颗巨行星——木星、土星、天王星和海王星——的太阳系，它们都位于今天所在的轨道上。对内斯沃尔尼来说，这些发现是不容忽视的，值得更多的研究。


　　但这些研究导致了一些不可避免的问题：增加的这颗巨行星是如何使得太阳系最终演化成只含4颗巨行星的?这颗巨行星又去了哪里?答案是惊人的：因为木星与其他行星的角力，第五颗巨行星——并非天王星或海王星——被猛烈地抛射进了星际空间。这意味着，木星成为杀手，而这颗额外的行星成了替罪羊。如果没有这颗行星，海王星或者天王星就会被抛射出去，因为至少有一颗冰质巨行星必须被逐出太阳系。


　　木星要比天王星和海王星大得多，因此它几乎不受影响。通常的结果是，在几次交会之后，木星会使得这颗额外的冰质巨行星的半长轴增大，因此它会离太阳越来越远。这会使得它的轨道越来越偏离圆形，直到它的速度超过它所处位置的逃逸速度。因此，这颗冰质巨行星就会被抛射进星际空间。


　　有趣的是，这颗巨行星的运动速度其实并不算高。计算机模拟表明，它逃逸的速度只有1000米/秒。这听起来似乎很快，但比起地球围绕太阳30千米/秒的公转速度，该数值绝对不算高，以天文学的标准，甚至可以说是龟速。但是，由于这一抛射事件发生在很久很久以前，所以当一个天体以1000米/秒的速度运动了40亿年之后，也已经走出了非常遥远的距离。现在，这颗行星应该会在银河系中距离我们相对较远的地方。


　　在早期太阳系中增加一颗额外的行星有助于解释太阳系的4颗巨行星是如何定居在它们现在的轨道上的，同时也为月球上绝大多数环形山的成因提供了某种解释。地球也曾遭受到猛烈的小天体轰击，但由于地质学和生物学活动，这些撞击坑已经被抹掉了。当木星在太阳系中开疆拓土、其他行星寻找自己最终的轨道之时，位于海王星轨道之外的柯伊伯带——包含许多彗星、小行星和冰质小天体——也受到了扰动。




　　在太阳系历史的这一早期阶段，柯伊伯带仍在形成中，这一扰动使得其中的许多小天体飞向内太阳系。在41亿至38亿年前，这些高速运动的天体撞上了刚刚形成的类地行星和卫星。这些观点是尼斯模型的一部分，与5颗巨行星的假说完美相符。更重要的是，早期太阳系有5颗巨行星还有助于解释柯伊伯带天体是如何聚集到一起的。在柯伊伯带中距离太阳44天文单位处，存在着冰质天体的异常聚集现象，它们都有着较低的轨道倾斜和较小的偏心率。天文学家最初认为，这可能是柯伊伯带天体碰撞的结果，撞击出的残骸形成了这一聚集。但问题是，撞击抛射物的速度通常可以达到每秒数百米，会使得撞击残骸分布到一个非常大的轨道区域中。这显然无法解释天文学家观测到的聚集现象。


　　2015年，内斯沃尔尼提出一个观点，认为柯伊伯带天体曾经处于海王星的引力控制范围之内。但是，当第五颗巨行星在向外迁移的过程中与海王星发生引力交会时，柯伊伯带天体便与海王星脱离了“干系”。为了做到这一点，该引力交会必须使得海王星向前“跳”一大步。由于跟不上海王星的步伐，柯伊伯带天体便失去了海王星引力的控制，被它遗弃。与此同时，这一引力交会也迫使第五颗巨行星进一步向外迁移。


　　在一开始进行包含柯伊伯带的计算机模拟时，内斯沃尔尼设定海王星仅具有缓慢的迁移。之后，他引入了由第五颗巨行星引力交会导致的跳跃，使得海王星从28天文单位跳到了30天文单位。在这之后，海王星恢复缓慢迁移，但它的轨道已经发生了改变。更重要的是，海王星与第五颗巨行星的相互作用可以解释柯伊伯带天体的这一聚集。这个问题已经困扰了天文学家十几年，它也许可以作为海王星曾与一颗冰质巨行星发生过交会的间接证据。


　　然而，事情真的必须如此吗?第五颗巨行星有没有可能目前仍在太阳系内，与其他4颗一起绕太阳公转呢?答案是有可能的。这取决于这个过程的初始状态。如果驱动行星迁移的外彗星盘由于某种原因消失了或者质量大幅度减少，这一迁移就不会发生，行星系统也就不会因此失稳。


　　在这种情况下，太阳系中就会有5颗外行星，这不会让天文学家感到惊讶。我们会看到2颗海王星、1颗天王星、1颗土星和1颗木星，而今天我们将试图解释它们是如何形成的。但对今天的太阳系来说，添加第五颗巨行星是解释所有观测事实的途径之一。这无疑是一个有趣的假说。

伤我心太深

　　太阳系是如何失去一颗巨行星的?

　　这颗孤独的行星很可能就在某个地方，但它是如何被驱逐出去的呢?

　　1.巨行星形成

　　巨行星形成于原行星气体盘中，由于与该盘之间的引力作用而开始迁移。

　　2.短暂的稳定时期

　　当气体盘消散时，行星之间会形成紧密的共振构形，海王星在距离太阳约20天文单位的地方。第五颗巨行星距离太阳约10天文单位，位于土星和天王星的轨道之间。

　　3.第五颗巨行星失稳

　　当第五颗巨行星开始与其他行星相互作用时，动力学不稳定性就会出现。海王星开始向外迁移进入外部的原始彗星盘，它也被认为是大质量的原初柯伊伯带。

　　4.木星介入

　　由于引力交会，木星的半长轴会出现不连续变化。木星的特洛伊小行星被捕获，木星的轨道偏心率达到0.05。当第五颗巨行星与海王星交会时，它会使得海王星跳跃，这为柯伊伯带天体的聚集现象提供了可能的解释。

　　5.其他行星进行迁移

　　其余的所有行星继续迁移到当前的位置。外彗星盘被瓦解并逐步消散。第五颗巨行星被猛烈抛射出太阳系，速度约为1000米/秒。

　　6.4颗巨行星占据自己的位置

　　在类地行星被彗星盘中的小天体轰击之后，行星迁移放缓并最终停止，4颗巨行星分别占据距离太阳5、10、20和30天文单位的轨道。