木星为什么是太阳系的小行星杀手和塑造者

伤我心太深

　　关于木星，我们知道许多事情。这颗气态巨行星的质量是地球的317.8倍(这个数字也相当于太阳系中其他行星总质量的2倍)，拥有4颗大型卫星和许多小卫星，而且自转速度惊人——木星上的一“天”不足10小时。

　　但是，木星仍在不断地给我们带来惊喜。谁曾想到这颗由氢和氦构成的巨行星其实有着惊人的破坏力，帮助塑造了今天我们所知的整个太阳系?



　　现在，8颗行星正在以规则且固定的轨道绕太阳公转。水星位于最内侧，向外依次是金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。然而，这一排列并非一贯如此。虽然现在的一切看似有序，但有一些异常已经困扰了天文学家很长一段时间。


　　其中的一个问题就是火星。当天文学家试图利用计算机来模拟太阳系最内层4颗行星的形成时，火星的质量要么比现在大10倍，要么远比实际中更加靠近太阳。科学家一直在思考，是什么东西扼制了火星的生长并改变了它的轨道。一些天文学家认为，答案就是木星。


　　多年来，不同的研究一直在尝试为这个问题提供解答。2009年，美国加州大学洛杉矶分校的布拉德·汉森提出了一个理论，认为太阳系中的固态物质仅分布在一个特定的范围之内。他认为这个边界在距离太阳1天文单位处，在这之外的行星会因为缺少物质而无法生长。


　　这个想法很有效——1天文单位是地球到太阳的距离，这可以解释为什么地球和金星的质量都远大于火星。火星到太阳的距离为1.5天文单位，位于汉森提出的边界之外，使得火星因为缺少固态物质而无法生长变大。这听起来似乎是一个完美的解释。然而，有一个关键要素缺失了。“汉森并没有解释他是如何得出这一边界所在位置的，”天文学家亚历山德罗·莫尔比代利说，“他也无法解释远在1天文单位之外的气态行星和小行星带。”


　　为了解释火星的低质量，莫尔比代利与肖恩·雷蒙德、凯文·沃尔什、阿维·曼德尔和戴维·奥布莱恩一起，开始更加仔细地审视太阳系中最大的行星——木星。他们最终提出了大迁徙假说，认为木星是太阳系中形成的第一颗行星，它在一生中进行了两次迁移：一开始是向内朝太阳运动，然后又向外迁移到它今天的位置。这正是事情变得相当有趣的地方。要想形成一颗质量较小的火星，必须削减它的引力俘获区。这是一个非常基本的想法，即火星要体积小，就必须得挨饿。地球和金星则不必这样。在这种情形下，木星会如何?如果它一直位于火星现在的位置，会发生什么情况?


　　他们认为，木星曾穿行在内太阳系中，从初始时距离太阳3.5天文单位运动到了仅1.5天文单位处，后者正好是目前火星轨道所在的位置。在早期太阳系中，年轻的太阳周围存在着一个原行星盘，其中浓密的气流和引力会把木星向内拉。这个盘中的稠密气体可以保证木星不会因太过靠近而最终掉入太阳，但同时也意味着木星会吸积掉该区域中大量的物质，对此后火星的形成和生长产生深远的影响。



　　在这个阶段，类地行星还都没有形成。水星、金星、地球和火星要比气态巨行星更为年轻，它们诞生的时间要晚得多。大迁徙假说认为，在太阳系形成的最初1000万年里，土星会随着木星一起朝太阳方向迁移，并且进入轨道共振状态。这意味着土星和木星会对彼此产生规律且周期性的引力作用，由此清除掉位于它们之间的所有气体，并最终使得这两颗气态巨行星朝外太阳系迁移。

　　木星最终抵达了其目前5.2天文单位的位置。但由于它之前在火星今天的轨道上吸积了大量物质，直接导致火星生长受阻，无法长到金星和地球的大小。更重要的是，在迁移的过程中，由于木星到太阳的距离始终没有小于1.5天文单位，因此它没有对更靠近太阳的天体产生影响。这就意味着最内层的3颗类地行星——水星、金星和地球——能够如预期般形成。

　　要看到木星是如何影响火星的，只需把火星和地球做个比较。在形成的初始阶段，地球和火星都会快速生长，但这个过程在地球上得以继续，而在火星上则没有。虽然火星被认为形成于距离太阳约1天文单位处，在那里它能够形成其核心，但引力的相互作用把它推到了约1.5天文单位的地方，使得它位于一个物质匮乏的区域，无法进一步生长。因此，火星早在地球之前就被迫停止生长了。

　　火星的形成时间要比地球短得多。地球形成花了1亿年的时间，而火星只花了400万年。地球在其形成的最初500万至1000万年中积聚了约50%的质量。在开始的时候，火星和地球一样积聚质量，然后突然停了下来。木星清空了这一区域，仅留下少量物质的想法可以解释火星的质量，也可以解释火星的生长过程为何戛然而止。

　　在塑造太阳系的过程中，木星的作用并不仅限于此。一些科学家认为，太阳系中曾经存在过超级地球，它们的质量可达地球的10倍，但要小于海王星。就像天文学家在许多行星系统中观测到的那样，它们都十分靠近宿主恒星。这些超级地球帮助形成了最早的太阳系，但它们很可能已经被所向披靡的木星破坏了。

　　这是美国加州理工学院的行星科学家康斯坦丁·巴特金和美国加州大学圣克鲁兹分校的天文学家格雷格·劳克林提出的一个理论。他们的这个想法基于大迁徙假说，灵感则来自开普勒空间望远镜的观测成果。该空间望远镜发现，银河系中的恒星普遍都拥有非常靠近它自身的岩质行星，这些行星的质量比地球大并且拥有稀薄的大气。

　　这一发现暗示，在内太阳系有行星不见了踪影。同时，在其他行星系统中，气态巨行星到其宿主恒星的距离往往只有水星到太阳距离的1/10。这着实让人思考木星究竟是如何形成的、大迁徙又是如何清空内太阳系的。巴特金和劳克林的想法是，如果太阳系与其他行星系统相似，那么在短周期轨道上应该曾有一些超级地球存在。如果事实真的是这样的话，天文学家将不得不解释这些超级地球都去了什么地方。


　　巴特金和劳克林认为，超级地球形成于木星向内迁移之前。在最早的阶段，超级地球会快速形成。它们表面密度高，轨道周期短，因此可以获得大量物质，进而迅速生长。

　　当木星向太阳运动时，会迫使超级地球的轨道发生交叠，使得它们发生碰撞并瓦解。巴特金和劳克林认为，在木星向内迁移的过程中，超级地球首先遭到破坏。这一过程也会把木星送入一条在许多行星系统中非常典型的轨道。木星会触发级联式碰撞，位于目前地球轨道附近的、正在形成过程中的所有天体都开始发生碰撞并解体。

　　其结果是，在气体阻尼力的作用下，超级地球的残骸会被推入太阳，由此清空水星和太阳之间的区域，这也解释了那里鲜有物质存在的原因。如果这一理论被证实，将有助于解释太阳系为什么会变得与其他行星系统如此不同，以及今天我们看到的类地行星为什么如此之小。该理论认为，由于第一代行星已被摧毁，使得更小的行星在第二波形成浪潮中取而代之。

　　“大迁徙会破坏最初的行星构形。”劳克林说，“然后，一旦进入共振状态，木星和土星会向外迁移，最终地球和其他类地行星得以在木星先向内、后向外的迁移过程遗留下的残骸中诞生。”

　　这正是类地行星的年龄小于气态巨行星的原因。类地行星只有在木星“碾碎”了沿途的行星体之后才能形成。这构建了一个框架。在这个框架下，太阳系曾经拥有不寻常的特征，和目前所见迥然不同，而这全都是早期木星的破坏作用导致的。

　　一颗以近圆轨道运行的巨行星并非在每个行星系统中都能见到。事实上，其形成的概率只有百分之几。在水星轨道之内空无一物也是十分不寻常的现象，这很可能是因为类地行星形成时间较晚且缺少物质所致。




　　这可能意味着，有着与地球相似的固体表面和大气压强的行星也许是比较罕见的。基于现在有关太阳系演化更为清醒的认识和判断，我们对于在其他行星上存在生命的猜测可能需要回归审慎的态度。

　　即便如此，莫尔比代利并不相信太阳系中曾存在过超级地球。他认为巴特金和劳克林的工作仍很初步，有些方面还需要深入。他表示，原行星盘存在内边界，行星是无法越过这一界线的。“有一些作用会把行星维持在这一边界上，”他说，“这些作用也会推动尘埃。基于这个原因，行星是无法迁移并掉入太阳的。”当然，也有人反对大迁徙假说。如果它被证实，将会产生巨大的影响。

　　“这会使得太阳系再次变得特殊。”莫尔比代利说，“这表明，我们是因为一系列特定的事件才存在于这里的，而且很明显，这些事件并不会在任何时候都发生。例如，如果木星向内迁移得更加靠近太阳，那么我们就不会出现在这里，因为地球的大小会和现在的火星相当。不要误会我的意思，我并不是说这多亏了‘上帝之手’，而是说这一系列事件恰到好处地发生的概率绝对不会高。”

伤我心太深

　　木星先向内、后向外的迁移对太阳系产生了重大而深远的影响。

　　0年：木星形成

　　在早期太阳系中，原行星盘中有浓密的气体和尘埃在绕太阳转动。木星最早形成于原行星盘中距离太阳3.5天文单位的地方。

　　70000年：主要引力源

　　木星从原行星盘中吸积气体，成为一颗气态巨行星。这个过程使得原行星盘打开了一道巨大的缝，随后木星开始向内迁移。

　　80000年：超级地球碰撞

　　有理论认为，木星的引力使得形成于太阳附近的超级地球发生相撞。此碰撞过程产生的碎片掉入了太阳，但留存下的物质形成了今天我们看到的类地行星。

　　100000年：土星形成

　　土星形成于木星迁移到距太阳4.5天文单位之前。在接近其目前的质量时，它受原行星盘中气体的引力作用向内迁移。

　　120000年：气态巨行星彼此靠近

　　在盘中气流的推动下，土星逐渐靠近木星，进入轨道共振状态。土星每绕太阳公转2周，木星绕太阳公转3周。

　　300000年：向外迁移

　　在这个阶段，木星位于距离太阳1.5天文单位处，与今天火星的轨道一致。之后，木星调头，和土星开始向外迁移。

　　500000年：清除小行星

　　随着木星和土星的向外迁移，它们会清除掉沿途遇到的15%的小行星。这解释了特洛伊小行星和柯伊伯带天体的存在以及小行星带的质量缺失。

　　600000年：木星止步

　　由于原行星盘中的气体耗尽，木星向外迁移的速度放缓，并最终止步于今天我们看到的距太阳5.2天文单位处。天王星和海王星通过共振被俘获。太阳系中的行星都生长到了现有的质量。