太阳系的童年什么样？浙大学者提出早期太阳系巨行星轨道演化新模型 _太阳系

浙江新闻客户端采访人员何冬健通讯员柯溢能

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太阳系图源视觉中国
太阳系是如何诞生的？
如果要追问这个问题，那就得跨过人类文明、地球生命，一路追溯到太阳、地球、各个行星、小行星、彗星……
浙江大学物理学院刘倍贝研究员与法国波尔多大学雷蒙德教授、美国密歇根州立大学雅格布森教授通过研究太阳系行星家族中的大兄长——木星、土星、海王星、天王星等巨行星，从它们的动力学变迁求索太阳系的演化历程、理解太阳系成长和行星生命的孕育。
4月27日晚，国际顶级期刊《自然》刊载了他们共同提出的早期太阳系巨行星轨道演化的新模型，以简洁优美的语句和图示，阐释了我们的太阳系是如何一步步成为今天模样的。
借助科学家的辽远视野，让我们一起走进一场波澜壮阔的星际穿梭之旅。

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刘倍贝（左一）指导学生学习天文理论卢绍庆摄
今与昔
巨行星轨道有何不同？
“谓我是方朔，人间落岁星”，一千多年前，太白居士举杯对月，在漫天繁星中精准地找到了这颗太阳系中体积最大的行星——岁星。
古人口中的岁星，取其绕行“天球”一周约为12年，与地支相同之故。到了西汉时期，史学家司马迁从实际观测发现岁星呈青色，在《史记·天官书》中，他将其与五行学说联系在一起，于是“木星”便成了它的另一称谓。
在刘倍贝位于浙江大学玉泉校区的办公室里，挂着一张简洁的太阳系行星图，这位青年学者每天都要站在这张图前，观摩思考一番。水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，太阳系的八颗行星在各自的轨道上周而复始地自转与公转。如此奇妙的现象是怎么形成的？仅是这么一个疑惑，便困扰了人类千百年之久。
“今天我们所见太阳系的行星轨道，与它的‘童年’时期有很大不同。”与刘倍贝初见面，他便开门见山，切入正题。
尽管科学家也无法时间旅行，回到太阳系原初状态看个究竟，但宇宙之大，处于不同演化阶段的恒星系一个都不少——通过观测，学界普遍认为，大约在距今46亿年前，我们的太阳系还是一片随机的气体和尘埃，它们像星云一样漂浮着。当它坍缩后,中心气体形成原初太阳，残余物质绕中心旋转形成一个扁平的圆盘。该圆盘被称为原行星盘，是孕育行星的摇篮。
刘倍贝要推演的历史，便处于这段时期，即童年期的太阳系，又叫“气体盘”时期。行星成长在行星盘内，与盘中气体相互作用，轨道逐渐变得像一个圆圈，并向内迁移。木星、土星、天王星、海王星等太阳系四大巨行星通过迁移进入轨道共振态，具体表现为相邻行星的公转周期呈现出一个整数比。
然而他发现，现今四大巨行星的轨道分布更为开阔，如木星距离太阳5.2个天文单位（指地球与太阳的平均距离，约1.5亿公里）,海王星则有30.1个天文单位这么远。四大巨行星之间周期比远大于常见整数比，这就意味着当前巨行星已脱离了原有的共振态。
“想象一座车辆正常流通的高架桥，如果有车辆发生碰撞追尾，整个行车的秩序就会被打乱。”刘倍贝认为巨行星的轨道演化成今天的模样，可能经历了动力学剧变的缘故。
他告诉采访人员，当两颗行星距离相对较远时，由于它们只受到微小的引力扰动，轨道处于稳定状态；如果轨道很近甚至交汇时，强大的引力扰动极有可能打破了行星之间的引力平衡，造成动力学不稳定现象，使其脱离原有的共振态。
早或晚
巨行星轨道何时迁移？
一个刚形成的行星，就像海洋中的一个救生筏，可以远远漂离其起点。一旦一颗行星增长到足够大，它的引力效应就可以通过周围的盘传播，激发起螺旋波，而螺旋波本身的引力效应作用于行星和盘，会产生强有力的反馈作用。相应地，动量和能量会发生交换，促使年轻的行星在其出生的原行星盘中开始一段史诗般的旅程。
这是尼斯模型——当前描述太阳系巨行星演化最流行的理论之中的猜想，因模型创立者来自于法国尼斯的蔚蓝海岸天文台而得名。模型认为，轨道不稳定发生在太阳系诞生数亿年之后，那时，原行星盘气体耗散，巨行星与外部的星子盘（由直径为数公里到上百公里的星子组成）相互作用不断交换轨道能量，最终使得行星摆脱共振束缚并引发动力学不稳定。