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海王星拓展太阳系的边界
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Alessandro Morbidelli 文 Shea 译 |
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行星科学家发现越来越多的证明表明，巨行星间轨道间距的增大是行星与行星形成之后残留下的星子盘相互作用的必然结果。这些证据就来自柯伊伯带，这是一群位于现在太阳系外边界的小天体（直径<1000km），它们是星子盘的最后残留物。 20年前，计算机数值模拟显示，当行星散射行星形成之后残留在其周围的星子时，由于能量守恒和角动量守恒它们的轨道会扩张或者收缩。10年后，马霍特拉（Malhotra）提出冥王星以及“冥王星子”（Plutino）——柯伊伯带天体的一族——的轨道可能是由于海王星的迁移所造成的。她发现，目前距离太阳30个天文单位的海王星形成至今至少向外迁移了7个天文单位。 冥王星子的轨道周期大约是海王星的1.5倍，即存在2:3共振。当海王星的轨道扩张时，它的轨道周期也会增加。因此，在星子盘中与海王星发生2:3共振的位置也会向外移动。马霍特拉发现，就像用扫帚扫除灰尘一样，当共振带扫过星子时，它们就有可能被“束缚”到共振带中。它们的轨道偏心率慢慢增加时，被束缚的星子就会脱离共振带。与之形成对比的是，未被俘获的星子就会保持原有的轨道半径和较小的轨道偏心率和倾角。按照这个理论，目前的冥王星子都是被共振俘获的星子。  但是，这并非是最终的结果。马霍特拉的迁移模型无法解释具有高轨道倾角和低轨道倾角的两族冥王星子。另外，柯伊伯带的一些重要特性，例如比预期小的总质量1、除了冥王星子之外的两类柯伊伯带天体（“热”的和“冷”的）2，也无法仅仅用迁移模型来解释。它们预示了还存在着其他机制来塑造柯伊伯带。 现在一系列更成熟的迁移模型证实了最初的结果，柯伊伯带所有的主要性质都可以仅仅用行星迁移来解释。但是为了使之成立，星子盘的大小不能超过30个天文单位。 假设原始星子盘的外边界看起来好像是任意的，但事实并非如此。作为这个盘的最终残留物，柯伊伯带的边缘在50个天文单位处，那里的轨道周期正好是海王星的2倍（1:2共振）。因此星子盘存在着截断3。但是它的原始外边界在什么地方呢？没有源于行星作用的任何机制被提出来解释星子盘的截断。因此令人困惑的结果就是柯伊伯带恰好终止于与海王星共振的地方。这一观测结果预示星子盘的外边界原先必定小于50个天文单位，之后由于海王星的迁移而将柯伊伯带推到了原先边界之外。 有两个理由使得我们相信星子盘外边界的原始位置在30个天文单位附近。第一，它解释了海王星的迁移为何在那里停止。在我们的模型中，行星会趋向于抵达星子盘的外边界，并且停在那里。一个更为延展的盘会使得海王星停止在越过目前位置的地方。第二，它解释了目前柯伊伯带的质量偏小。如果目前柯伊伯带所处的位置原先是空无一物的，那么柯伊伯带目前的质量反映了由于海王星迁移而被从星子盘中推出的星子比例。这一比例可能是非常小的，因为大多数的星子最终可能被散射出了太阳系。 时至今日发现了两种机制可以将以小部分星子（大约0.1%）推到原始盘的外围并且进入稳定的柯伊伯带轨道。第一种机制解释了“热”柯伊伯带天体和一小部分的冥王星子，第二种则解释了“冷”柯伊伯带天体。 按照第一种机制，当海王星在星子盘中运动时，由于近距离引力交会会散射其中的星子。一些星子在多次引力交会之后，会被散射到外围并且进入一条大偏心率、大倾角的轨道。其中一小部分一直保留到今天，形成了所谓的“散射盘”。偶然地，一些被散射的天体会与海王星发生共振。共振会改变轨道的偏心率。如果偏心率变小的话，那么交会过程就会停止，这个天体最终会和海王星“退耦”，就像一个柯伊伯带天体。由于海王星的迁移，一些退耦的天体会从共振带中逃逸，并且永久的留在柯伊伯带中。这些天体保留了源于和海王星交会期间获得的大倾角，进而形成了今天我们所看到的“热”柯伊伯带天体。另外，一小部分被散射的天体则进入了稳定的冥王星子轨道。当后者由于马霍特拉所提出的机制而被聚集到一起，它们的轨道分布与观测到的非常吻合，因此有关的问题得以解决。 按照第二种机制，当海王星在盘中迁移时，它的1:2和2:3共振带会扫过星子盘，并且俘获其中的一小部分。当1:2共振带越过盘的边界时，它会带着其中的天体继续向外运动。由于海王星的迁移并不是一个完全平缓的过程，在向外运动并且到达50个天文单位的过程中一些天体会掉出共振带。这一过程解释了柯伊伯带外边界目前的位置。由于1:2共振并不能大幅度的加大轨道倾角，因此这些天体保持了原先的小轨道倾角，形成了“冷”柯伊伯带天体。 柯伊伯带的绝大多数特性都可以由截断星子盘中行星的迁移来解释。是否这就意味着我们已经了解了外太阳系的演化了呢？可能还不是。你只要看一下月球就会明白在这些模型中还缺少了一些重要的东西。月球上的暗斑是形成于月球形成之后7亿年“晚期大规模轰击”的巨大撞击盆地。是什么造成了这些轰击，整个太阳系又发生了什么？ 先前的研究认为外太阳系的大质量星子盘导致了晚期轰击。我的观点是，对于这个解释我们没有更多的选择。但是，按照我们最近的认识，在巨行星迁移结束之后，太阳系已经和现在的样子看上去很相似了，已经没有残留的大质量星子了。因此一个吸引人的解释是开始较晚的行星迁移导致了晚期大规模轰击。但是为什么迁移到晚期才开始而不是在行星形成之后不久？回答还不清楚。 注： [1]：柯伊伯带目前的质量只有0.01-0.1个地球质量，由于柯伊伯带天体形成的时标非常短，因此它们的总质量应该可以达到几十个地球质量。所以目前柯伊伯带的质量仅有原始质量的0.1-1.0%。 [2]：非共振的柯伊伯带天体的轨道倾角分布可以分成两族。第一族被称为“冷”族，轨道倾角都小于4°。第二族被称为“热”族，轨道倾角分布很宽，甚至可以延伸到30°-40°。“热”族和“冷”族的柯伊伯带天体似乎有着不同的物理特性。 [3]：对此有4中解释：（1）星子盘的外部由于飞临的恒星而被破坏；（2）由于太阳附近的大质量恒星的光蒸发；（3）气体盘可以向外延伸，由于盘外部的湍流会增强，因此当局利大于某个阈值的时候星子就会无法形成；（4）由于气体阻尼远距离的尘埃颗粒和/或星子会向内迁移。 |
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出自：Science
发布日期：2004-11-19
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2001-2009 火流星工作组制作
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