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
浙江新闻客户端记者何冬健通讯员柯溢能
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。
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。
他告诉记者，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。
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。
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。记者了解到，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。
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4月22日，在国际知名期刊《科学进展》上，刘倍贝与丹麦哥本哈根大学和瑞典隆德大学的学者合作，从陨石同位素含量两极化的现象入手，推演了太阳系形成最初的五百万年间发生的故事。他们指出，原行星盘气体的外流是一双“看不见的手”，它参与了早期太阳系的塑造，影响了小天体和行星的形成。
刘倍贝团队认为：在太阳系诞生之际，原行星盘内的固体颗粒物分布呈现较为明显的两极化，靠近太阳的位置内盘以非炭质固体颗粒为主；远离太阳的外盘以炭质为主。在外盘的固体颗粒流入内盘之前，内盘非炭陨石（包括无球粒陨石，普通球粒陨石和顽火辉石球粒陨石）的母体们靠吸积耐火物质而形成；与此同时，外盘的炭质球粒陨石母体吸积炭质颗粒物逐渐长大。在约两至三百万年之后，炭质颗粒物最终迁移进入内盘。
