近日，來自密歇根州立大學的Seth Jacobson及中國和法國的同行們公布了一個新的理論，它可能有助於解決我們的太陽系如何演變的銀河系之謎。具體來說，氣體巨頭–木星、土星、天王星和海王星–是如何到達它們所在的位置並像它們那樣圍繞太陽運行的？
這些發現對像地球這樣的陸地行星如何發展以及第五顆氣體巨行星潛伏在500億英里之外的可能性產生了影響。
來自自然科學學院地球和環境科學系的助理教授Jacobson說道：“我們的太陽系並不總是看起來像今天這樣。在其歷史上，行星的軌道已經發生了根本性的變化。但我們可以弄清楚發生了什麼。”
一個不錯的模型
巨大的、旋轉的宇宙氣體和塵埃雲誕生了恆星。當我們的太陽點燃時，早期的太陽系仍充滿了原始的氣體盤，它在包括氣態巨行星在內的行星的形成和演變中發揮了重要作用。
在20世紀末，科學家們開始相信，氣體巨行星最初是以整齊、緊湊、均勻間隔的軌道繞着太陽運行。然而木星、土星和其他的行星卻早已沉澱為相對長方形、錯位和分散的軌道。
所以現在研究人員的問題是為什麼？
2005年，一個國際科學家小組在《自然》的三篇里程碑式的論文中提出了這個問題的答案。該解決方案最初是在法國尼斯提出的，被稱為尼斯模型。它假設這些行星之間存在着不穩定性，一組混亂的引力相互作用進而最終使它們走上了目前的道路。
Jacobson說道：“這是人們對早期太陽系思考方式的一次構造性轉變。”
雖然尼斯模型仍是一個領先的解釋，但在過去的17年裡，科學家們發現了新的問題–什麼引發了尼斯模型的不穩定性。
比如人們最初認為氣態巨頭不穩定發生在孕育太陽系的那個原始氣體盤散開后的數億年。但較新的證據表明它發生得更快。這也提出了關於作為地球家園的太陽系內部如何演變的新問題。
Jacobson跟中國浙江大學的Beibei Liu和法國波爾多大學的Sean Raymond合作以幫助找到了一個跟不穩定如何開始有關的解決方案。該團隊提出了一個新的觸發器。
“我認為我們的新想法可以真正放鬆該領域的許多緊張局勢，因為我們提出的是一個非常自然的答案，即巨行星的不穩定性是何時發生的，”Jacobson說道。
新觸發器
這個想法始於Raymond和Jacobsen在2019年的一次談話。他們的理論是，氣體巨行星可能是因為原始氣體盤的蒸發方式而被設定在它們目前的路徑上。這可以解釋這些行星是如何在太陽系演化過程中比尼斯模型最初假設的時間更早地擴散開來的，甚至可能沒有不穩定因素把它們推向那裡。
Raymond表示：“我們想知道尼斯模型是否真的有必要解釋太陽系。我們提出了這樣一個想法，即巨行星可能會在圓盤消散時通過‘反彈’效應擴散出去，也許從來沒有出現過不穩定。”
Raymond和Jacobsen隨後聯繫了Liu，後者通過對氣體盤和大型系外行星–其他太陽系中的行星–靠近其恆星運行的廣泛模擬率先提出了這種反彈效應的想法。
Liu指出：“我們太陽系的情況略有不同，因為木星、土星、天王星和海王星都分佈在更寬的軌道上。經過幾次反覆的頭腦風暴，我們意識到，如果氣體盤從內向外消散，這個問題就可以得到解決。”
Raymond稱，研究小組發現，這種由內向外的耗散為尼斯模型的不穩定性提供了一個自然的觸發因素。“我們最終加強了尼斯模型，而不是破壞了它。這是一個有趣的例子，說明了測試我們的先入為主的想法並跟隨結果，無論它們指向哪裡。”
有了新觸發器，不穩定期開始時的畫面看起來是一樣的。目前仍有一個新生的太陽被氣體和塵埃雲包圍着。少數年輕的氣體巨頭則圍繞着恆星並以整齊、緊湊的軌道穿過那片雲。
“所有的太陽系都是在氣體和塵埃盤中形成的。這是恆星如何形成的一個自然副產品，”Jacobson說道，“但當太陽開啟並開始燃燒它的核燃料時，它產生了太陽光、加熱了圓盤並最終將它從裡到外吹走。”
這在以太陽為中心的氣體雲中產生了一個不斷增長的洞。隨着這個洞的增長，其邊緣掃過每一個氣體巨頭的軌道。根據研究小組的計算機模擬，這種轉變導致了必要的巨行星不穩定性，且概率非常高。跟尼斯模型最初的數億年的時間線相比，這些大行星轉移到它們當前軌道的過程也進展迅速。
另外，新的觸發因素還引發了外太陽系和內太陽系的物質混合。地球的地球化學表明，這樣的混合需要在我們的星球還在形成過程中發生。
“這個過程真的會攪動內太陽系，地球可以從中成長，”Jacobson說道，“這跟觀察結果相當一致。探索不穩定性和地球形成之間的聯繫是該小組未來工作的一個主題。”
最後，該小組的新解釋還適用於我們星系中的其他太陽系，在那裡，科學家們已經觀察到氣體巨頭以類似於我們在自己星系中看到的配置圍繞着它們的恆星運行。
來自外太空的9號行星
雖然該團隊的論文沒有強調這一點，但Jacobson指出，這項工作對有關我們太陽系的最流行和偶爾激烈的爭論之一–到底又多少顆行星–有影響。
目前，答案是八顆，但事實證明，當早期太陽系有五顆氣態巨行星而不是四顆時，尼斯模型的效果略好。可悲的是，根據該模型，那顆額外的行星在不穩定時期被鎚子從我們的太陽系扔了出去。
然而在2015年，加州理工學院的研究人員發現了可能還有一顆未被發現的行星在太陽系外圍的工具的證據。這顆行星距離太陽大概約有500億英里，比海王星遠約470億英里。
不過目前仍沒有具體的證據表明這顆假設的行星–9號行星–或尼斯模型的“額外”行星確實存在。但如果它們真的存在，它們會不會是同一個？
Jacobson和他的同事們雖然無法用他們的模擬直接回答這個問題，但他們可以做下一個最好的事情–知道他們的不穩定性觸發器正確地再現了我們太陽系目前的情況，他們可以測試他們的模型是否從四個或五個氣態巨行星開始效果更好。