太陽(yáng)是整個(gè)太陽(yáng)系的中心。從內(nèi)向外依次是水星、金星、地球、火星，然后是四顆巨行星——木星、土星、天王星、海王星。如今，八大行星各自守在自己的軌道上，相安無(wú)事地繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　但天文學(xué)家一直在嘗試回答一個(gè)問(wèn)題：太陽(yáng)系行星軌道是怎么變成現(xiàn)在這樣的？

　　最近，浙江大學(xué)研究員劉倍貝與法國(guó)波爾多大學(xué)和美國(guó)密歇根州立大學(xué)合作者提出了太陽(yáng)系巨行星軌道演化的新模型。該模型回溯了巨行星的過(guò)往史，揭示了它們之間一段不“和諧”過(guò)往的原因，并認(rèn)為這段歷史發(fā)生在地球誕生之前。4月27日，相關(guān)成果刊登于《自然》雜志。

　　巨行星的軌道曾經(jīng)發(fā)生過(guò)劇變

　　在很久很久以前，星際空間中的氣體分子云坍縮,中心的部分形成了太陽(yáng)，殘余物質(zhì)一邊被太陽(yáng)炙烤著，氣體不斷蒸發(fā)，一邊繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)。一個(gè)扁平的、充滿氣體的盤由此出現(xiàn)。

　　行星在盤內(nèi)成長(zhǎng)，并與盤中氣體相互作用，軌道逐漸圓化并向著太陽(yáng)遷移。對(duì)于盤外沿的太陽(yáng)系四大巨行星來(lái)說(shuō)，它們通過(guò)向內(nèi)的遷移，逐漸在各種力量的拉扯中找到了平衡點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)軌跡也慢慢平穩(wěn)、規(guī)律起來(lái)。

　　“就像高速路上正常行駛的車輛，大家相對(duì)勻速，相互之間保持著適當(dāng)?shù)木嚯x。”論文的通訊作者和第一作者劉倍貝告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

　　但奇怪的是，按照這個(gè)想法推演，位于太陽(yáng)系外側(cè)的四個(gè)巨行星，軌跡并不會(huì)像如今這般。

　　“現(xiàn)今四大巨行星之間的距離比太陽(yáng)系早期時(shí)更寬了。”劉倍貝說(shuō)。

　　天文學(xué)家推測(cè)，在行星軌道演化的過(guò)程中，巨行星軌道曾經(jīng)發(fā)生過(guò)劇變。

　　“就像車輛突然變速發(fā)生碰撞追尾等事件一樣，車輛的間距被打亂了，原先有序的狀態(tài)被打破了�！眲⒈敦愓f(shuō)。

　　可是，如此一來(lái)，又一個(gè)新的問(wèn)題出現(xiàn)了：是什么讓巨行星軌道發(fā)生了劇變？

　　著名模型留下的困惑

　　對(duì)于巨行星軌道的劇變問(wèn)題，天文學(xué)家們提出過(guò)各種模型，其中，最為流行的名叫“尼斯”模型(Nice)。

　　這個(gè)模型出現(xiàn)于2005年。當(dāng)時(shí)，模型的創(chuàng)立者連發(fā)三篇《自然》論文，在天文學(xué)界轟動(dòng)一時(shí)，模型也因?yàn)閯?chuàng)立者來(lái)自于法國(guó)尼斯蔚藍(lán)海岸天文臺(tái)而得名。

　　然而，在轟動(dòng)的同時(shí)，尼斯模型依然留有一些困惑。

　　目前天文學(xué)家認(rèn)為，太陽(yáng)系誕生早期，氣體盤演化到晚期時(shí)，太陽(yáng)輻射的高能光子直射在氣體盤上，形成強(qiáng)勁的光壓首先吹散了靠近太陽(yáng)的氣體，使盤的內(nèi)部出現(xiàn)中空結(jié)構(gòu)，之后，光壓又由內(nèi)向外逐步驅(qū)散盤中的剩余氣體。

　　“這一過(guò)程被稱為‘光致蒸發(fā)’。太陽(yáng)就好比一個(gè)巨型吹風(fēng)機(jī)，不斷吹走盤中的氣體�！眲⒈敦愓f(shuō)。

　　尼斯模型認(rèn)為，盤里的氣體耗散后，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，最終引發(fā)了巨行星軌道的動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定。

　　該模型還由此判斷，因?yàn)榫扌行桥c遙遠(yuǎn)星子交換能量的過(guò)程十分緩慢，所以巨行星軌道的劇變發(fā)生在太陽(yáng)系誕生數(shù)億年之后，屬于“晚期不穩(wěn)定”。

　　“地球在太陽(yáng)系誕生后的3000萬(wàn)年至1億年期間長(zhǎng)成，如果如尼斯模型所預(yù)期，那么，巨行星軌道不穩(wěn)定發(fā)生在地球形成之后，產(chǎn)生的強(qiáng)烈擾動(dòng)會(huì)破壞地球的軌道，而這與現(xiàn)今觀測(cè)到的情況不符。”劉倍貝說(shuō)。

　　他告訴記者，巨行星的動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定會(huì)打破太陽(yáng)系原有的平靜，它們強(qiáng)大的引力擾動(dòng)會(huì)迫使周圍小天體不斷撞向其他行星和衛(wèi)星，在星體表面留下隕石坑。但研究月球的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，月球隕石坑有著廣泛的年齡分布，小行星撞擊事件并沒(méi)有在某一段時(shí)期突然增多。

　　太陽(yáng)像巨型吹風(fēng)機(jī)一般吹走原行星盤中的氣體(圖片來(lái)源：劉倍貝)

　　前人忽略的關(guān)鍵細(xì)節(jié)

　　尼斯模型留下的困惑，也是劉倍貝一直在思考的問(wèn)題。2019年的一天，劉倍貝收到了一封來(lái)自海外的電子郵件，這封郵件促成了他的此次研究。

　　“我們懷疑，太陽(yáng)系巨行星軌道發(fā)生不穩(wěn)定的時(shí)間有可能比尼斯模型預(yù)期的更早。”郵件中，國(guó)際上兩位行星動(dòng)力學(xué)專家把他們的想法告訴了劉倍貝。

　　這兩位專家分別是法國(guó)波爾多大學(xué)教授肖恩·雷蒙德(Sean Raymond)和美國(guó)密歇根州立大學(xué)教授塞思·雅各布森(Seth Jacobson)，他們后來(lái)成為了劉倍貝此次研究的合作者。

　　兩位教授都看到了劉倍貝等人此前發(fā)表在國(guó)際期刊《天文學(xué)與天體物理學(xué)》雜志上的論文。論文中，劉倍貝等人研究了“為什么在其他的多行星系統(tǒng)里，很多超級(jí)地球行星并不是像太陽(yáng)系行星這樣平穩(wěn)而有序地運(yùn)轉(zhuǎn)”，研究中他們提出一種“反彈”設(shè)想，認(rèn)為原行星盤氣體耗散導(dǎo)致行星軌道發(fā)生了重大變化，并使其脫離平穩(wěn)狀態(tài)。

　　雷蒙德和雅各布森都覺(jué)得論文很有啟發(fā)，在一次見(jiàn)面中，他們分享了各自的想法，并決定給那篇論文的通訊作者劉倍貝發(fā)一封郵件。此后他們通過(guò)電子郵件、會(huì)議等各種形式開(kāi)始了交流，隨著討論越來(lái)越深入，三人都覺(jué)得到這項(xiàng)研究意義重大。

　　討論中，他們發(fā)現(xiàn)，前人的研究忽略了一個(gè)關(guān)鍵細(xì)節(jié)——?dú)怏w盤耗散過(guò)程中，行星會(huì)受到氣體作用力而發(fā)生反向運(yùn)動(dòng)。

　　“這一過(guò)程類似于打羽毛球，揮拍擊打來(lái)球，羽毛球改變?cè)�有軌跡，反彈后隨著拍面一起向外運(yùn)動(dòng)�！眲⒈敦愓f(shuō)。

　　通過(guò)理論計(jì)算，他們發(fā)現(xiàn)，由于靠近太陽(yáng)內(nèi)邊界的地方炙熱，氣體快速耗散，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)。

　　由于太陽(yáng)系巨行星的質(zhì)量不同，所以它們“反彈”后向外遷移的速率也不同，從而打破了彼此間原本和諧穩(wěn)定的軌道距離。

　　巨行星軌道不穩(wěn)定發(fā)生在地球形成之前

　　根據(jù)設(shè)想和理論計(jì)算的數(shù)據(jù)，他們進(jìn)行了巨行星軌道演化的模擬實(shí)驗(yàn)。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，按照“反彈”模型的設(shè)想，原初四大巨行星與另一個(gè)冰巨星在氣體盤耗散時(shí)，發(fā)生了大幅度軌道變化，冰巨星與木星發(fā)生碰撞后被甩出太陽(yáng)系，而達(dá)到穩(wěn)定的四大巨行星的最終軌道分布與現(xiàn)今觀測(cè)吻合。

　　此外，他們的研究還表明，巨行星軌道的不穩(wěn)定發(fā)生在太陽(yáng)系誕生后約三百萬(wàn)到一千萬(wàn)年間�！耙簿褪钦f(shuō)，不同于尼斯模型的推測(cè)，我們認(rèn)為，在地球誕生之前，巨行星軌道的不穩(wěn)定情況就已經(jīng)發(fā)生了�！眲⒈敦愓f(shuō)。

　　“巨行星軌道演化對(duì)其他行星、衛(wèi)星和小天體的演化，地球以及生命的起源，宜居特性等多方面影響深遠(yuǎn)�！眲⒈敦愓J(rèn)為，新模型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，這些都是它有別于傳統(tǒng)模型之處。

　　對(duì)于這一研究成果，期刊的匿名評(píng)審人認(rèn)為：“該模型很可能是太陽(yáng)系演化理論中缺失的成分，文章新穎且意義重大�！�

　　“未來(lái)我們還將進(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(wèn)題�！眲⒈敦愓f(shuō)。