海外文摘——当巨行星迁移时




当巨行星迁移时
Joe Hahn 文 Shea 译
	巨行星的迁移可以解释巨行星目前的轨道、木星特洛伊小行星的起源，以及太阳系早期来自小行星和彗星的猛烈轰击。　　在本期《自然》杂志的三篇文章中，莱维森（H. F. Levison）及其同事提出，木星、土星、天王星和海王星的轨道都发生了重要的改变。他们认为，目前巨行星的轨道偏心率和轨道倾角都比行星形成理论预言的大得多——这预示了在巨行星形成的过程中有一些机制改变了它们的轨道。　　在第一篇文章（第459页）中，希格尼斯（Tsiganis）等人认为，木星和土星穿过1:2平运动共振带可以解释四颗巨行星的空间位置、轨道偏心率和轨道倾角。平运动共振是太阳系中的“最佳位置”，在那里两个天体的轨道周期呈简单整数比，同时这里也是行星的周期性摄动激发另一个天体的轨道偏心率和轨道倾角的地方。因此木星和土星的1:2平运动共振就是土星绕太阳一周而木星绕太阳两周的情况。文章的作者发现，木星和土星穿过这一共振带时会激发它们的轨道偏心率和轨道倾角达到目前的值。但是木星和土星目前却远离1:2共振——目前的轨道周期比大约是1:2.5——因此这暗示了木星和土星已经穿过了1:2共振的位置进入了目前的位置。这是一个与众不同的观点，因为我们通常认为行星的轨道是非常稳定的，随着时间仅有微小的变化。　　然而，有充足的理由让我们相信，在太阳系的早期巨行星的轨道确实经历了一次显著的改变。行星迁移的最佳证据来自柯伊伯带，这是一群位于海王星轨道之外的彗星状小天体。其中一些天体的椭圆轨道正好位于与海王星发生3:2平运动共振的地方。但是这些天体不太可能形成于如此不同寻常的轨道中；相反，流行的观点认为，在太阳系的早期，海王星向外迁移时将它们引力俘获到了共振带中。　　不过，是什么造成了行星轨道迁移的呢？在行星形成阶段的早期，行星际空间充满了大量的星子，它们还没有被刚形成的行星吸积。但是，当巨行星达到它们最终的大小之后，它们的巨大质量使得它们可以非常有效的散射这些星子。相应的，行星和星子间的相互作用会导致行星轨道的迁移。在希格尼斯等人的模型中，当海王星被土星的引力散射到一条更遥远、轨道偏心率更大的轨道之后，它的轨道扩张了一倍。海王星与星子间的引力相互作用使得它的轨道逐渐变圆并且缓慢地向外迁移。然而，这样的轨道演化需要大量的星子——大约是海王星质量的两倍，所有这些星子都必须被迁移的行星散射出太阳系。因此，行星形成是一个杂乱而低效的过程。　　希格尼斯等人提出的模型在一定程度上是可行的，它确实把巨行星的轨道偏心率和轨道倾角激发到了要求的值。但是值得注意的是，即使数值模拟的结果与现实完美地吻合，也无法证明数值模拟中的过程就真的发生过。相反，巨行星的轨道偏心率和轨道倾角也可能是另一种机制所造成的——由早期太阳系中曾经迁移的原行星的引力摄动所造成。事实上，天王星巨大的自转轴倾角（98°）通常被解释成与地球大小原行星碰撞的结果。但是这一模型还是值得相信的，因为它不像其他的理论至少经过了严格的检验。 [图片说明]：宇宙撞球。按照希格尼斯等人的模型，在行星迁移阶段，土星向外散射海王星越过天王星进入柯伊伯带。图中的椭圆代表四颗大行星，木星、土星、天王星和海王星，冥王星则潜伏在柯伊伯带中。　　在第二篇文章（第462页）中，莫比德利（Morbidelli）等人描述了另一个有趣的发现，行星迁移机制可以解释木星的特洛伊小行星群。木星的特洛伊小行星群位于与太阳、木星呈等边三角形的稳定区域。这些小天体的位置为行星形成模型设置了严格的限制。事实上，它们的存在似乎会危及到希格尼斯等人提出的模型，他们认为木星和土星在穿过1:2共振带时会释放出所有的特洛伊小行星。但是模型同时显示，这一流动也可以是双向的，因为被行星散射并且造成行星迁移的一小部分星子会进入稳定的特洛伊群，取代那些流失的特洛伊小行星。　　第三篇文章（第466页）中，戈麦斯（Gomes）等人认为，1:2平运动共振可能造成了晚期大规模轰击（Late Heavy Bombardment），那是发生在月球早期的一系列猛烈撞击事件。在作者的模型中，当木星和土星经过1:2共振带时，海王星的轨道会变得不稳定。之后海王星被土星向外散射到了更为遥远的环绕整个太阳系的星子盘中。海王星有力地散射那些星子，向整个太阳系输送了大批的撞击小天体——其中也包括了撞击月球的小天体。　　如此突然的改变太阳系结构势必导致对太阳系所有行星表面的大规模轰击；唯一有争论的一点是它发生的时间。对“阿波罗”计划采集的月球岩石样本的研究发现，在月球形成之后大约6亿年，这些岩石几乎同时被熔化了。这看起来与其他模型相矛盾，这些模型认为海王星的迁移发生在月球形成之后大约1千万年之内。　　但是，希格尼斯等人认为，海王星的迁移会由于太阳星云的存在而推迟。太阳星云是围绕太阳的气体盘，行星就在其中形成。他们认为，巨行星的引力摄动会清除行星间的星子，直到太阳星云消散为之，最后只在巨行星的最外侧留下一个稠密的星子带。而且，由于这些星子的轨道位于天王星和海王星引力范围的边缘，它们之间的引力相互作用就被大大地削弱了，因此行星的迁移过程变得非常缓慢，这解释了最终引发晚期大规模轰击推迟的原因。　　戈麦斯等人模型的成功之处在于，在太阳星云自身消散之前，巨行星便清除了行星之间的残骸。但是行星的引力对于气体云和星子的作用是无法区分的，因此目前事实上还不清楚这一过程是否真的发生过。其他的模型认为行星会在气体云中产生螺旋的密度波，它会消除行星的引力摄动在大尺度上对气体盘的作用。因此，当密度波扫过星子时，它们可能会被保留下来。　　即便如此，戈麦斯等人的工作还是提供了一个值得仔细研究的流体力学问题。如果未来的研究显示新形成的巨行星确实可以驱散原始星云中的残余物质，那么上文中所提到的模型将成为对月球晚期大规模轰击和外太阳系结构令人瞩目的解释。
出自：Nature 发布日期：2005-05-26

2001-2009 火流星工作组制作

 本文遵循“创作共用约定”之“署名-非商业性使用-禁止演绎”3.0约定
任何意见和建议请致电：