行星是如何誕生？太陽系又是如何演化？當(dāng)我們望向深邃的太空總會(huì)感嘆如斯。
通過研究行星家族中的大兄長，木星、土星、海王星、天王星，從它們的動(dòng)力學(xué)變遷 “管中窺豹”，求索太陽系的成長歷程浙江大學(xué)物理學(xué)院劉倍貝研究員與法國波爾多大學(xué)的雷蒙德教授和美國密歇根州立大學(xué)雅格布森教授，共同提出太陽系巨行星軌道演化的新模型。他們指出在太陽系初期原行星盤受到太陽光致蒸發(fā)作用，盤中氣體從內(nèi)向外耗散誘發(fā)了巨行星軌道的重塑并引起動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定。
這項(xiàng)成果在北京時(shí)間4月27日刊登于《自然》，劉倍貝研究員是論文的第一兼通訊作者，浙大物理學(xué)院為第一單位。
今與昔，巨行星軌道有何不同？
今天我們所見太陽系的行星軌道，與太陽系“童年”期時(shí)有很大不同。太陽系誕生之初，星際空間中的氣體分子云坍縮，中心部分形成太陽，殘余物質(zhì)繞恒星旋轉(zhuǎn)形成一個(gè)扁平的原行星盤。這個(gè)時(shí)期也被稱為太陽系的“氣體盤”時(shí)期，行星成長在行星盤內(nèi)，與盤中氣體相互作用，軌道逐漸圓化并向內(nèi)遷移。學(xué)界認(rèn)為，在氣體盤時(shí)期，太陽系的土星、木星、天王星、海王星等四大巨行星通過遷移進(jìn)入軌道共振態(tài)，即相鄰行星的公轉(zhuǎn)周期為整數(shù)比。
四大巨行星在氣體盤中軌道遷移進(jìn)入共振態(tài)
然而，現(xiàn)今四大巨行星的軌道分布更為開闊，巨行星也以脫離了原有的共振狀態(tài)，學(xué)界認(rèn)為巨行星的軌道經(jīng)歷過動(dòng)力學(xué)劇變?！跋胂笠粭l車輛正常流通的高架橋，如果有車輛發(fā)生碰撞追尾，整個(gè)行車的秩序就會(huì)被打亂?！?/span>劉倍貝說，追尋太陽系早期動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定的原因，是學(xué)界非常關(guān)注的問題。
早或晚，巨行星軌道動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定何時(shí)發(fā)生
描述太陽系巨行星演化當(dāng)前最流行的是Nice 模型，因模型創(chuàng)立者來自于法國尼斯蔚藍(lán)海岸天文臺(tái)而得名。Nice模型認(rèn)為：軌道不穩(wěn)定發(fā)生在太陽系誕生數(shù)億年之后，那時(shí)，原行星盤氣體耗散，巨行星與外部的星子盤（由直徑為數(shù)公里到上百公里的星子組成）相互作用不斷交換軌道能量，最終使得行星擺脫共振束縛并引發(fā)動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定。由于該過程能量交換十分緩慢，軌道不穩(wěn)定屬于太陽系誕生數(shù)億年之后的“晚期不穩(wěn)定”。
劉倍貝團(tuán)隊(duì)提出可以用氣體盤的耗散來解釋行星軌道的演化，這是先前模型沒有考慮到的因素。劉貝指出，前人的研究忽略了氣體盤耗散過程行星受到氣體的作用力反向?！霸跉怏w盤演化的晚期，太陽輻射的高能光子直射行星盤，形成的強(qiáng)勁光壓首先吹散了靠近太陽的氣體，行星盤內(nèi)部出現(xiàn)了中空的結(jié)構(gòu)。后續(xù)光壓由內(nèi)向外逐步驅(qū)散盤中剩余氣體，行星盤質(zhì)量伴隨著盤內(nèi)邊界向外擴(kuò)張而減小，這個(gè)過程被稱為行星盤的光致蒸發(fā)?！?/span>劉倍貝說，這時(shí)太陽就好比一個(gè)巨型吹風(fēng)機(jī)，不斷“吹”走盤中的氣體。
圖片源自:NASA/JPL-Caltech/T.Pyle(SSC)
行星在原行星盤氣體耗散下的示意圖
劉倍貝團(tuán)隊(duì)通過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，由于內(nèi)邊界處氣體的快速耗散，行星在該處受到向外的氣體作用力，這與行星在盤的其他位置受到向內(nèi)的力截然不同。當(dāng)氣體盤內(nèi)邊界由光致蒸發(fā)向外擴(kuò)張時(shí)，原本向內(nèi)遷移的行星改變運(yùn)動(dòng)方向，隨內(nèi)邊界共同向外移動(dòng)?！斑@個(gè)過程就像打羽毛球，揮拍擊打來球，羽毛球改變原有軌跡，反彈后隨著拍面一起向外運(yùn)動(dòng)。”巨行星由于質(zhì)量不同，它們向外遷移的速度也不同，從而打破原軌道共振態(tài)并引發(fā)了動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定。
反彈模型示意圖，類比揮拍擊打羽毛球
早期軌道的動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定，導(dǎo)致原初的四大巨行星與另一個(gè)冰巨星在氣體盤耗散時(shí)經(jīng)歷了大幅度軌道變化，冰巨星與木星的近碰后被甩出了太陽系，達(dá)到穩(wěn)定的四大巨行星最終的軌道分布與現(xiàn)今觀測吻合。
巨行星在氣體盤耗散過程中軌道發(fā)生不穩(wěn)定，劇變之后到達(dá)現(xiàn)今的軌道構(gòu)型
“我們的研究表明，該過程導(dǎo)致的動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定緊隨著氣體盤耗散，在太陽系誕生后約五百萬到一千萬年間發(fā)生。有別于Nice模型，我們的模型中巨行星軌道不穩(wěn)定發(fā)生的時(shí)間更早。”劉倍貝說。
月球和地球，來自太陽系其他天體的證據(jù)
巨行星軌道演化對(duì)包括地球在內(nèi)的其他行星、衛(wèi)星和小天體的演化，地球生命的起源、宜居特性等多方面影響深遠(yuǎn)。用傳統(tǒng)的Nice模型與劉貝團(tuán)隊(duì)提出的“反彈”模型推演太陽系的“童年”，最明顯的差異在于動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定發(fā)生的早晚，前者認(rèn)為是“晚期不穩(wěn)定”，而后者認(rèn)為是“早期不穩(wěn)定”。
“我們能從月球隕石坑的年齡找到新的佐證?！?/span>劉倍貝介紹，巨行星動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定會(huì)打破太陽系原有的平靜，它們強(qiáng)大的引力擾動(dòng)迫使周圍小天體不斷撞向其他行星和衛(wèi)星，并在星體表面留下隕石坑?！霸虑螂E石坑有著廣泛的年齡分布，小行星撞擊事件隨時(shí)間自然衰減，這也與我們團(tuán)隊(duì)提出的早期不穩(wěn)定模型研究更自洽。”
圖片源自：Apollo 16 photograph courtesy of NASA.
此外，類地行星的軌道也支持劉倍貝團(tuán)隊(duì)的“反彈”模型。根據(jù)觀測，原始地球形成于原行星盤階段，在太陽系誕生后3000萬至1億年間最終長成。如果不穩(wěn)定發(fā)生在地球完全形成之前，巨行星軌道動(dòng)蕩有概率觸發(fā)大碰撞事件，誘發(fā)原始地球與一個(gè)火星大小的天體相撞，逐漸形成現(xiàn)今的地月系統(tǒng)。“而Nice模型所預(yù)期，不穩(wěn)定發(fā)生在地球形成之后，地球就不能成為今天的地球。”劉倍貝說，“早期動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定更符合來自太陽系其他天體關(guān)于小行星撞擊時(shí)間的記錄。新模型也可以更好地解釋后續(xù)形成的類地行星的的質(zhì)量和軌道構(gòu)型，這些均為其有別于傳統(tǒng)模型的優(yōu)點(diǎn)?！?/span>
審稿人對(duì)這一研究評(píng)價(jià)：“該模型很可能是太陽系演化理論中缺失的成分，文章新穎且意義重大。”劉倍貝表示，未來團(tuán)隊(duì)會(huì)進(jìn)一步探究巨行星軌道演化對(duì)地球形成及其水起源的影響等問題。該工作受到國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和浙江大學(xué)百人計(jì)劃啟動(dòng)基金的資助。
(文 柯溢能/攝影盧紹慶 部分圖片由受訪人提供)
