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( 二 ) _太阳系

因为巨行星与遥远星子交换能量的过程十分缓慢，尼斯模型认为轨道不稳定一般发生在太阳系诞生数亿年之后。因此它能较好地解释为什么小行星频繁撞击没有发生在太阳系诞生早期。
在此研究的基础上，刘倍贝指出，前人的研究忽略了气体盘耗散过程行星受到气体的作用力反向，“好比是打羽毛球，球体接触到网面，会因为反作用力弹回，随着拍面一起向外运动，太阳系行星轨道的形成过程也是如此。”
在他和团队的模型中，气体盘演化的晚期，太阳辐射的高能光子直射行星盘，形成的强劲光压首先吹散了靠近太阳的气体，行星盘内部出现了中空的结构。后续光压由内向外逐步驱散盘中剩余气体，行星盘质量伴随着盘内边界向外扩张而减小。这个过程的太阳就好比一个巨型吹风机，不断“吹”走盘中的气体，使其中空结构不断变大。
研究发现，巨行星与气体相互作用首先向内迁移至盘内边界。由于内边界处气体的快速耗散，行星受到向外的气体作用力，与行星在一般盘情况下受到向内的力不同。当气体盘内边界由太阳这个“吹风机”不断向外扩张，行星可以随之共同向外迁移。因为太阳系巨行星质量的不同，他们向外迁移速率不同，从而可以打破原轨道共振态并引发系统动力学不稳定。
通过计算，团队还推测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。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。
“太阳系中可能曾经有过第五颗巨行星，原初四大巨星与另一颗冰巨星共同运动。在气体盘耗散时，它们经历了大幅度轨道动荡，冰巨星与木星的近碰后被甩出了太阳系。”刘倍贝说，这样达到稳定的四大巨行星最终的轨道分布才会与现今观测吻合。
“我们的研究表明，巨行星轨道的迁移往往紧随着气体盘耗散，在太阳系诞生后约五百万到一千万年间发生，比尼斯模型推测发生的时间要更早。”他说。

文章插图
月球表面
月球和地球
来自太阳系其他天体的证据
巨行星轨道演化对包括地球在内的其他行星、卫星和小天体的演化，地球生命的起源、宜居特性等多方面影响深远。刘倍贝团队提出的新模型推演太阳系的“童年”，最明显的就是其动力学不稳定发生的时间非常早，这就需要在宇宙中寻找它的蛛丝马迹。
“我们能从月球陨石坑的年龄找到新的佐证。”刘倍贝介绍，巨行星动力学不稳定会打破太阳系原有的平静，它们强大的引力扰动迫使周围小天体不断撞向其他行星和卫星，并在星体表面留下陨石坑。月球没有大气和频繁的地质活动，自其诞生以来一直保留着原始陨石的撞击。我们从月球陨石坑的年龄、大小、密度可以反演发生在月球上的小行星撞击事件。“月球陨石坑有着广泛的年龄分布，小行星撞击事件随时间自然衰减，这也与我们团队提出的早期不稳定模型研究更自洽。”他说。
此外，类地行星的轨道也支持刘倍贝团队的新模型。根据观测，原始地球形成于原行星盘阶段，在太阳系诞生后3000万至1亿年间最终长成。如果不稳定发生在地球完全形成之前，巨行星轨道动荡有概率触发大碰撞事件，诱发原始地球与一个火星大小的天体相撞，逐渐形成现今的地月系统。“早期动力学不稳定更符合来自太阳系其他天体关于小行星撞击时间的记录。新模型也可以更好地解释后续形成的类地行星的质量和轨道构型，这些均为其有别于尼斯模型的优点。”刘倍贝说。
刘倍贝表示，未来团队会进一步探究巨行星轨道演化对类地行星的影响，如量化类地行星的形成概率，小天体撞击对地球水起源等问题。采访人员了解到，浙大物理学院目前有多名和他一样的天文方向的教师，学校未来也计划大力发展天文学科，筹建天文系。