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太阳系中失踪的第5颗巨行星
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David Crookes 文 Shea 编译 |
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想象一下被逐出家门的感觉，如果太阳系中曾经有过第5颗巨行星，那么这就是它要面对的命运。 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。从来没有人见过它，天文学家也无法确切指出它在广袤宇宙中的下落。它是宇宙中最神秘的天体之一。 或者，至少有一些天文学家是这么认为的。根据目前的情况，这样一颗有趣的巨行星仍是假说中的天体，但天文学家有令人信服的证据表明它确实存在。毕竟，在宇宙中可能存在着数十亿颗自由飘荡的行星，它们每一个都是养育了它们的行星系统的弃儿。不同于其他的孤儿行星，在天文学家所提出的一个理论中，它对太阳系的形成产生了重要的影响。 美国西南研究所的天文学家戴维·内斯沃尔尼（David Nesvorny）认为，太阳系最初有5颗巨行星，而不是今天我们所看到的4颗。在太阳系的最初阶段，这第5颗巨行星和木星、土星、天王星以及海王星一同形成。诞生于彼此靠近的区域中，它们由相同的气体和尘埃来喂养生长。但是，当它们渐渐长大，博弈也随之开始了。内斯沃尔尼通过计算机模拟发现，它们之中有一个必须要被逐出家门。 这个发现建立在于2005年发表的尼斯模型之上。尼斯模型提出，最初巨行星十分靠近太阳，彼此之间也非常紧密，之后它们向外迁移到了目前的位置。内斯沃尔尼说：“这个模型假设太阳系是不断演化的，在某一个点上行星会变得不稳定，所以我就进行了数千次的计算机模拟。我想测算出这一动力学不稳定性发生的概率，看看它是如何能造就出我们今天所知道的太阳系的。”  当内斯沃尔尼进行数值模拟时，和之前其他许多人一样，他是在太阳系中拥有4颗巨行星的基础上进行的。在每一次模拟中，不是海王星就是天王星会被驱逐出太阳系，只剩下3颗巨行星。这无疑带来了一个大难题，因为它与观测到事实不符。“在数值模拟中，最终留有4颗巨行星的概率微乎其微，”他说，“我所进行的数值模拟没有一个能做到这一点，在最好的情况下，要么是天王星、要么是海王星会被抛射出太阳系，由此我开始思考解决这个问题的办法。” 许多年来，天文学家们一直热衷于这些数值模拟，因为他们想知道行星是如何演化到目前的状态的。但让理论天文学家们困惑的是，相较于太阳系外行星，太阳系中形成的行星实在太规则了。例如，在太阳系之外，有许多巨行星要远比太阳系中的更加靠近其宿主恒星，其中一些甚至比水星到太阳的距离还要小。 除此之外，其他系统中的许多行星都具有有大椭圆轨道，而太阳系中行星的偏心率都很小。但是，这些现象表明，行星系统的多样性和可能性远超出了曾经的想象。于是，在太阳系中曾经存在过第5颗巨行星也绝非不可能。 “我最初增大了原行星盘的质量，虽然这可以保留下最外面的2颗巨行星，但却会得出其他不可能的结果，”正在进行这样研究的斯沃尔尼说，“每到这个时候，我都会得到一个与目前的情况并不相符的太阳系。但是，当我额外地增加了一颗行星之后，一切都改变了。” 通过改变质量和位置，内斯沃尔尼对额外行星进行了试验。他最终提出了一个模型，它包含有木星和土星以及另外3颗冰质巨行星——这里面有2颗是我们已知的天王星和海王星，另一颗则是他加进去的额外行星。这一五巨行星理论是一个惊人的想法。虽然目前仍刚刚起步，但却有令人信服的证据来支持这一理论，而且它还能就这颗额外的行星就有什么样的特性以及它今天可能身在何方给出一些有趣的线索。 首先，可以肯定它必定是一颗冰质巨行星。气态巨行星的质量要比天王星和海王星更大会导致极强的不稳定性，这也还会使得木星轨道的偏心率变得与今天所知的不相符，因此行不通。因此，它必须是一颗质量与海王星相当的行星。如果添加一颗地球大小的行星，或者是一颗质量是海王星1.5倍的行星，又或者是质量仅海王星一半的行星，数值模拟同样也无法奏效。 更重要的是，虽然一开始并不清楚，但后来发现第5颗巨行星需要被放置在土星和天王星的初始轨道之间——也就是差不多在10～15个天文单位之间（1个天文单位相当于地球到太阳的距离），数值模拟的结果才最好。至于这颗行星的颜色，借由其他行星的形成过程而做出的最佳猜测是，它很可能具有和海王星相同的颜色和温度。 以希腊神话中冥界之神的名字，这第5颗行星被一些人非正式地称为“哈迪斯”，几乎可以肯定它会以与海王星相同的方式形成。想象有这第5颗巨行星的形成绝对不是个问题，因为根据不同的行星形成理论，在外太阳系中常常会形成2颗以上的冰质巨行星。多出一颗额外的冰质巨行星不是什么大问题，它对于认识目前外太阳系中仅有的2颗冰质巨行星也不会造成什么影响。它由与天王星和海王星相同的机制形成——受青睐的行星吸积理论，它认为行星通过吸积物质形成并生长。  当然，数值模拟也支持存在一颗额外的巨行星。把第5颗行星加入到模拟中，超过半数以上的模拟都演化出今天我们所看到的太阳系。在每一种的情况下，它最终会给出一个只有4颗巨行星——木星、土星、天王星和海王星——的太阳系，它们都位于今天所在处的轨道上。对于内斯沃尔尼来说，这些发现是不容被忽视的，值得更多的研究。 所有这些都导致了一个不可避免的问题——增加的第5颗巨行星是如何导致太阳系最终演化成只含4颗巨行星的？这第5颗巨行星又去了哪里？答案是惊人的：借由木星与其他行星的角力，第5颗巨行星——并非天王星或海王星——被猛烈地抛射进了星际空间。这实际上意味着，木星成为了杀手，而这颗额外的行星则成了替罪羊。如果没有这第5颗行星，海王星或者天王星就会被抛射出去，因为至少有一颗冰质巨行星必须要被逐出我们的太阳系。 木星要比天王星和海王星大得多，因此它几乎不受影响。通常的结果是，在几次交会之后，木星会使得额外冰质巨行星的半长轴增大，因此它会离太阳越来越远。这会使得它的轨道越来越偏离圆形，直到它的速度超过当地的逃逸速度。由此，这颗冰质巨行星就会被抛射进星际空间。 有趣的是，这第5颗巨行星的运动速度其实并不算高。计算机模拟表明，它逃逸的速度只有每秒1千米。这听起来似乎很快，但比起地球围绕太阳每秒30千米的公转速度，该数值绝对不算高。以天文学的标准，这可以说是龟速。但是，由于这一抛射事件发生在很久很久以前，所以当一个天体以每秒1千米的速度运动了40亿年之后，它实际上已经走出了非常远的距离。现在这颗行星应该会在银河系中距离我们相对较远的地方。 在早期太阳系中增加一颗额外的行星有助于解释我们所知的4颗巨行星是如何最终定居到它们现在的轨道上的。这同时也为解释月球上绝大多数环形山的成因提供了某种途径。地球也曾遭受到了猛烈的小天体轰击，但由于地质学和生物学活动，这些陨击坑已经被抹掉了。当木星在太阳系中开疆拓土而其他行星则正在寻找自己最终的轨道之时，位于海王星轨道之外的柯伊伯带——包含有许多彗星、小行星和冰质小天体——会受到扰动。
在太阳系历史的这一早期阶段，柯伊伯带仍在形成中，这一扰动使得其中的许多小天体飞向内太阳系。大约41～38亿年前，这些高速运动的天体撞上了刚形成的类地行星和卫星。这一理论是尼斯模型的一部分，它同时也与5颗巨行星的假说完美相符。更重要的是，在初始时有5颗巨行星还有助于解释一些柯伊伯带天体是如何聚集到一起的。在柯伊伯带中距离太阳44个天文单位处，存在着冰质天体的异常聚集现象。它们都有着较低的轨道倾斜和较小的偏心率。最初认为，这可能是在柯伊伯带中天体碰撞的结果，撞击出的残骸形成了这一聚集。但问题是，撞击抛射物的速度通常可以达到每秒数百米，会使得这些残骸分布到一个非常大的轨道区域中。这显然无法解释观测到的聚集现象。 2015年，内斯沃尔尼提出，这一柯伊伯带天体集团曾经处于海王星的引力控制范围之内。但是，当第5颗巨行星在向外迁移的过程中与海王星发生引力交会时，这一集团便与海王星脱离了“干系”。为了做到这一点，该引力交会必须要使得海王星向前“跳”一大步，由于跟不上海王星的步伐，这些柯伊伯带天体便逃出了海王星引力的控制，被它遗弃。与此同时，这一交会引力也迫使第5颗巨行星进一步向外迁移。 内斯沃尔尼在一开始进行包含柯伊伯带的数值模拟时，设定海王星仅具有缓慢的迁移。之后，他引入了由第5颗巨行星引力交会所导致的跳跃，使得海王星从28个天文单位跳到了30个天文单位。在这之后，海王星恢复缓慢迁移，但它的轨道已经发生了改变。由此产生的平运动就像被一辆推土机撞上，但更重要的是海王星与第5颗巨行星之间的相互作用可以解释柯伊伯带天体的这一聚集。这个问题已经困扰了天文学家十几年的时间，它也许可以作为海王星曾与一颗冰质巨行星发生过交会的间接证据。 然而，事情真的必须如此吗？第5颗巨行星有没有可能目前仍在太阳系内，和其他4颗一起在绕太阳公转呢？回答是有可能的。这取决于初始状态。如果驱动行星迁移的外彗星盘由于某种原因消失了或者质量太小，这一迁移就不会发生，行星系统也就不会因此失稳。 在那种情况下，太阳系中就会有5颗外行星，这不会让天文学家们感到惊讶。我们会看到2颗海王星、1颗天王星、1颗土星和1颗木星，而今天我们将试图解释它们是如何形成的。但对于今天的太阳系来说，添加第5颗巨行星是解释所观测到现实的途径之一。这无疑是一个有趣的假说。 |
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[All About Space 2015年总第46期]
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