太陽是整個太陽系的中心。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，相安無事地繞著太陽轉(zhuǎn)動。

　　但天文學家一直在嘗試回答一個問題：太陽系行星軌道是怎么變成現(xiàn)在這樣的？

　　最近，浙江大學研究員劉倍貝與法國波爾多大學和美國密歇根州立大學合作者提出了太陽系巨行星軌道演化的新模型。該模型回溯了巨行星的過往史，揭示了它們之間一段不“和諧”過往的原因，并認為這段歷史發(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，殘余物質(zhì)一邊被太陽炙烤著，氣體不斷蒸發(fā)，一邊繞太陽旋轉(zhuǎn)。一個扁平的、充滿氣體的盤由此出現(xiàn)。

　　行星在盤內(nèi)成長，并與盤中氣體相互作用，軌道逐漸圓化并向著太陽遷移。對于盤外沿的太陽系四大巨行星來說，它們通過向內(nèi)的遷移，逐漸在各種力量的拉扯中找到了平衡點，運動軌跡也慢慢平穩(wěn)、規(guī)律起來。

　　“就像高速路上正常行駛的車輛，大家相對勻速，相互之間保持著適當?shù)木嚯x�！闭撐牡耐ㄓ嵶髡吆偷谝蛔髡邉⒈敦惛嬖V《中國科學報》。

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

　　“現(xiàn)今四大巨行星之間的距離比太陽系早期時更寬了�！眲⒈敦愓f。

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

　　“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。

　　可是，如此一來，又一個新的問題出現(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

　　對于巨行星軌道的劇變問題，天文學家們提出過各種模型，其中，最為流行的名叫“尼斯”模型(Nice)。

　　這個模型出現(xiàn)于2005年。當時，模型的創(chuàng)立者連發(fā)三篇《自然》論文，在天文學界轟動一時，模型也因為創(chuàng)立者來自于法國尼斯蔚藍海岸天文臺而得名。

　　然而，在轟動的同時，尼斯模型依然留有一些困惑。

　　目前天文學家認為，太陽系誕生早期，氣體盤演化到晚期時，太陽輻射的高能光子直射在氣體盤上，形成強勁的光壓首先吹散了靠近太陽的氣體，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。

　　“這一過程被稱為‘光致蒸發(fā)’。太陽就好比一個巨型吹風機，不斷吹走盤中的氣體�！眲⒈敦愓f。

　　尼斯模型認為，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)了巨行星軌道的動力學不穩(wěn)定。

　　該模型還由此判斷，因為巨行星與遙遠星子交換能量的過程十分緩慢，所以巨行星軌道的劇變發(fā)生在太陽系誕生數(shù)億年之后，屬于“晚期不穩(wěn)定”。

　　“地球在太陽系誕生后的3000萬年至1億年期間長成，如果如尼斯模型所預期，那么，巨行星軌道不穩(wěn)定發(fā)生在地球形成之后，產(chǎn)生的強烈擾動會破壞地球的軌道，而這與現(xiàn)今觀測到的情況不符�！眲⒈敦愓f。

　　他告訴記者，巨行星的動力學不穩(wěn)定會打破太陽系原有的平靜，它們強大的引力擾動會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有在某一段時期突然增多。

　　太陽像巨型吹風機一般吹走原行星盤中的氣體(圖片來源：劉倍貝)

　　前人忽略的關(guān)鍵細節(jié)

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

　　“我們懷疑，太陽系巨行星軌道發(fā)生不穩(wěn)定的時間有可能比尼斯模型預期的更早�！编]件中，國際上兩位行星動力學專家把他們的想法告訴了劉倍貝。

　　這兩位專家分別是法國波爾多大學教授肖恩·雷蒙德(Sean Raymond)和美國密歇根州立大學教授塞思·雅各布森(Seth Jacobson)，他們后來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)表在國際期刊《天文學與天體物理學》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，很多超級地球行星并不是像太陽系行星這樣平穩(wěn)而有序地運轉(zhuǎn)”，研究中他們提出一種“反彈”設(shè)想，認為原行星盤氣體耗散導致行星軌道發(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得論文很有啟發(fā)，在一次見面中，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。此后他們通過電子郵件、會議等各種形式開始了交流，隨著討論越來越深入，三人都覺得到這項研究意義重大。

　　討論中，他們發(fā)現(xiàn)，前人的研究忽略了一個關(guān)鍵細節(jié)——氣體盤耗散過程中，行星會受到氣體作用力而發(fā)生反向運動。

　　“這一過程類似于打羽毛球，揮拍擊打來球，羽毛球改變原有軌跡，反彈后隨著拍面一起向外運動�！眲⒈敦愓f。

　　通過理論計算，他們發(fā)現(xiàn)，由于靠近太陽內(nèi)邊界的地方炙熱，氣體快速耗散，當氣體盤內(nèi)邊界由光致蒸發(fā)向外擴張時，原本向內(nèi)遷移的行星改變運動方向，隨內(nèi)邊界共同向外移動。

　　由于太陽系巨行星的質(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)想和理論計算的數(shù)據(jù)，他們進行了巨行星軌道演化的模擬實驗。

　　實驗結(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冰巨星在氣體盤耗散時，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系，而達到穩(wěn)定的四大巨行星的最終軌道分布與現(xiàn)今觀測吻合。

　　此外，他們的研究還表明，巨行星軌道的不穩(wěn)定發(fā)生在太陽系誕生后約三百萬到一千萬年間。“也就是說，不同于尼斯模型的推測，我們認為，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。”劉倍貝說。

　　“巨行星軌道演化對其他行星、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�！眲⒈敦愓J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。

　　對于這一研究成果，期刊的匿名評審人認為：“該模型很可能是太陽系演化理論中缺失的成分，文章新穎且意義重大�！�

　　“未來我們還將進一步探究巨行星軌道演化對地球形成及其水起源的影響等問題。”劉倍貝說。