浙江新聞客戶端記者何冬健通訊員柯溢能

太陽系圖源視覺中國

太陽系是如何誕生的？

如果要追問這個(gè)問題，那就得跨過人類文明、地球生命，一路追溯到太陽、地球、各個(gè)行星、小行星、彗星……

浙江大學(xué)物理學(xué)院劉倍貝研究員與法國波爾多大學(xué)雷蒙德教授、美國密歇根州立大學(xué)雅格布森教授通過研究太陽系行星家族中的大兄長——木星、土星、海王星、天王星等巨行星，從它們的動力學(xué)變遷求索太陽系的演化歷程、理解太陽系成長和行星生命的孕育。

4月27日晚，國際頂級期刊《自然》刊載了他們共同提出的早期太陽系巨行星軌道演化的新模型，以簡潔優(yōu)美的語句和圖示，闡釋了我們的太陽系是如何一步步成為今天模樣的。

借助科學(xué)家的遼遠(yuǎn)視野，讓我們一起走進(jìn)一場波瀾壯闊的星際穿梭之旅。

劉倍貝（左一）指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)天文理論盧紹慶攝

今與昔

巨行星軌道有何不同？

“謂我是方朔，人間落歲星”，一千多年前，太白居士舉杯對月，在漫天繁星中精準(zhǔn)地找到了這顆太陽系中體積最大的行星——?dú)q星。

古人口中的歲星，取其繞行“天球”一周約為12年，與地支相同之故。到了西漢時(shí)期，史學(xué)家司馬遷從實(shí)際觀測發(fā)現(xiàn)歲星呈青色，在《史記天官書》中，他將其與五行學(xué)說聯(lián)系在一起，于是“木星”便成了它的另一稱謂。

在劉倍貝位于浙江大學(xué)玉泉校區(qū)的辦公室里，掛著一張簡潔的太陽系行星圖，這位青年學(xué)者每天都要站在這張圖前，觀摩思考一番。水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，太陽系的八顆行星在各自的軌道上周而復(fù)始地自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)。如此奇妙的現(xiàn)象是怎么形成的？僅是這么一個(gè)疑惑，便困擾了人類千百年之久。

“今天我們所見太陽系的行星軌道，與它的‘童年’時(shí)期有很大不同?！迸c劉倍貝初見面，他便開門見山，切入正題。

盡管科學(xué)家也無法時(shí)間旅行，回到太陽系原初狀態(tài)看個(gè)究竟，但宇宙之大，處于不同演化階段的恒星系一個(gè)都不少——通過觀測，學(xué)界普遍認(rèn)為，大約在距今46億年前，我們的太陽系還是一片隨機(jī)的氣體和塵埃，它們像星云一樣漂浮著。當(dāng)它坍縮后,中心氣體形成原初太陽，殘余物質(zhì)繞中心旋轉(zhuǎn)形成一個(gè)扁平的圓盤。該圓盤被稱為原行星盤，是孕育行星的搖籃。

劉倍貝要推演的歷史，便處于這段時(shí)期，即童年期的太陽系，又叫“氣體盤”時(shí)期。行星成長在行星盤內(nèi)，與盤中氣體相互作用，軌道逐漸變得像一個(gè)圓圈，并向內(nèi)遷移。木星、土星、天王星、海王星等太陽系四大巨行星通過遷移進(jìn)入軌道共振態(tài)，具體表現(xiàn)為相鄰行星的公轉(zhuǎn)周期呈現(xiàn)出一個(gè)整數(shù)比。

然而他發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)今四大巨行星的軌道分布更為開闊，如木星距離太陽5.2個(gè)天文單位（指地球與太陽的平均距離，約1.5億公里）,海王星則有30.1個(gè)天文單位這么遠(yuǎn)。四大巨行星之間周期比遠(yuǎn)大于常見整數(shù)比，這就意味著當(dāng)前巨行星已脫離了原有的共振態(tài)。

“想象一座車輛正常流通的高架橋，如果有車輛發(fā)生碰撞追尾，整個(gè)行車的秩序就會被打亂?！眲⒈敦愓J(rèn)為巨行星的軌道演化成今天的模樣，可能經(jīng)歷了動力學(xué)劇變的緣故。

他告訴記者，當(dāng)兩顆行星距離相對較遠(yuǎn)時(shí)，由于它們只受到微小的引力擾動，軌道處于穩(wěn)定狀態(tài)；如果軌道很近甚至交匯時(shí)，強(qiáng)大的引力擾動極有可能打破了行星之間的引力平衡，造成動力學(xué)不穩(wěn)定現(xiàn)象，使其脫離原有的共振態(tài)。

早或晚

巨行星軌道何時(shí)遷移？

一個(gè)剛形成的行星，就像海洋中的一個(gè)救生筏，可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)漂離其起點(diǎn)。一旦一顆行星增長到足夠大，它的引力效應(yīng)就可以通過周圍的盤傳播，激發(fā)起螺旋波，而螺旋波本身的引力效應(yīng)作用于行星和盤，會產(chǎn)生強(qiáng)有力的反饋?zhàn)饔?。相?yīng)地，動量和能量會發(fā)生交換，促使年輕的行星在其出生的原行星盤中開始一段史詩般的旅程。

這是尼斯模型——當(dāng)前描述太陽系巨行星演化最流行的理論之中的猜想，因模型創(chuàng)立者來自于法國尼斯的蔚藍(lán)海岸天文臺而得名。模型認(rèn)為，軌道不穩(wěn)定發(fā)生在太陽系誕生數(shù)億年之后，那時(shí)，原行星盤氣體耗散，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，最終使得行星擺脫共振束縛并引發(fā)動力學(xué)不穩(wěn)定。

因?yàn)榫扌行桥c遙遠(yuǎn)星子交換能量的過程十分緩慢，尼斯模型認(rèn)為軌道不穩(wěn)定一般發(fā)生在太陽系誕生數(shù)億年之后。因此它能較好地解釋為什么小行星頻繁撞擊沒有發(fā)生在太陽系誕生早期。

在此研究的基礎(chǔ)上，劉倍貝指出，前人的研究忽略了氣體盤耗散過程行星受到氣體的作用力反向，“好比是打羽毛球，球體接觸到網(wǎng)面，會因?yàn)榉醋饔昧椈?，隨著拍面一起向外運(yùn)動，太陽系行星軌道的形成過程也是如此?！?/p>

在他和團(tuán)隊(duì)的模型中，氣體盤演化的晚期，太陽輻射的高能光子直射行星盤，形成的強(qiáng)勁光壓首先吹散了靠近太陽的氣體，行星盤內(nèi)部出現(xiàn)了中空的結(jié)構(gòu)。后續(xù)光壓由內(nèi)向外逐步驅(qū)散盤中剩余氣體，行星盤質(zhì)量伴隨著盤內(nèi)邊界向外擴(kuò)張而減小。這個(gè)過程的太陽就好比一個(gè)巨型吹風(fēng)機(jī)，不斷“吹”走盤中的氣體，使其中空結(jié)構(gòu)不斷變大。

研究發(fā)現(xiàn)，巨行星與氣體相互作用首先向內(nèi)遷移至盤內(nèi)邊界。由于內(nèi)邊界處氣體的快速耗散，行星受到向外的氣體作用力，與行星在一般盤情況下受到向內(nèi)的力不同。當(dāng)氣體盤內(nèi)邊界由太陽這個(gè)“吹風(fēng)機(jī)”不斷向外擴(kuò)張，行星可以隨之共同向外遷移。因?yàn)樘栂稻扌行琴|(zhì)量的不同，他們向外遷移速率不同，從而可以打破原軌道共振態(tài)并引發(fā)系統(tǒng)動力學(xué)不穩(wěn)定。

通過計(jì)算，團(tuán)隊(duì)還推測在星際空間深處的某個(gè)地方，在遠(yuǎn)離太陽的無盡黑暗之中，有一顆孤獨(dú)的行星正在銀河系中流浪。質(zhì)量與海王星相當(dāng)，擁有大氣，富含冰，這顆自由運(yùn)行的行星不受制于任何一顆恒星，漂泊在永恒的黑夜之中。

“太陽系中可能曾經(jīng)有過第五顆巨行星，原初四大巨星與另一顆冰巨星共同運(yùn)動。在氣體盤耗散時(shí)，它們經(jīng)歷了大幅度軌道動蕩，冰巨星與木星的近碰后被甩出了太陽系?！眲⒈敦愓f，這樣達(dá)到穩(wěn)定的四大巨行星最終的軌道分布才會與現(xiàn)今觀測吻合。

“我們的研究表明，巨行星軌道的遷移往往緊隨著氣體盤耗散，在太陽系誕生后約五百萬到一千萬年間發(fā)生，比尼斯模型推測發(fā)生的時(shí)間要更早?！彼f。

月球表面

月球和地球

來自太陽系其他天體的證據(jù)

巨行星軌道演化對包括地球在內(nèi)的其他行星、衛(wèi)星和小天體的演化，地球生命的起源、宜居特性等多方面影響深遠(yuǎn)。劉倍貝團(tuán)隊(duì)提出的新模型推演太陽系的“童年”，最明顯的就是其動力學(xué)不穩(wěn)定發(fā)生的時(shí)間非常早，這就需要在宇宙中尋找它的蛛絲馬跡。

“我們能從月球隕石坑的年齡找到新的佐證?！眲⒈敦惤榻B，巨行星動力學(xué)不穩(wěn)定會打破太陽系原有的平靜，它們強(qiáng)大的引力擾動迫使周圍小天體不斷撞向其他行星和衛(wèi)星，并在星體表面留下隕石坑。月球沒有大氣和頻繁的地質(zhì)活動，自其誕生以來一直保留著原始隕石的撞擊。我們從月球隕石坑的年齡、大小、密度可以反演發(fā)生在月球上的小行星撞擊事件?！霸虑螂E石坑有著廣泛的年齡分布，小行星撞擊事件隨時(shí)間自然衰減，這也與我們團(tuán)隊(duì)提出的早期不穩(wěn)定模型研究更自洽?！彼f。

此外，類地行星的軌道也支持劉倍貝團(tuán)隊(duì)的新模型。根據(jù)觀測，原始地球形成于原行星盤階段，在太陽系誕生后3000萬至1億年間最終長成。如果不穩(wěn)定發(fā)生在地球完全形成之前，巨行星軌道動蕩有概率觸發(fā)大碰撞事件，誘發(fā)原始地球與一個(gè)火星大小的天體相撞，逐漸形成現(xiàn)今的地月系統(tǒng)。“早期動力學(xué)不穩(wěn)定更符合來自太陽系其他天體關(guān)于小行星撞擊時(shí)間的記錄。新模型也可以更好地解釋后續(xù)形成的類地行星的質(zhì)量和軌道構(gòu)型，這些均為其有別于尼斯模型的優(yōu)點(diǎn)?！眲⒈敦愓f。

劉倍貝表示，未來團(tuán)隊(duì)會進(jìn)一步探究巨行星軌道演化對類地行星的影響，如量化類地行星的形成概率，小天體撞擊對地球水起源等問題。記者了解到，浙大物理學(xué)院目前有多名和他一樣的天文方向的教師，學(xué)校未來也計(jì)劃大力發(fā)展天文學(xué)科，籌建天文系。

【浙江新聞+】

4月22日，在國際知名期刊《科學(xué)進(jìn)展》上，劉倍貝與丹麥哥本哈根大學(xué)和瑞典隆德大學(xué)的學(xué)者合作，從隕石同位素含量兩極化的現(xiàn)象入手，推演了太陽系形成最初的五百萬年間發(fā)生的故事。他們指出，原行星盤氣體的外流是一雙“看不見的手”，它參與了早期太陽系的塑造，影響了小天體和行星的形成。

劉倍貝團(tuán)隊(duì)認(rèn)為：在太陽系誕生之際，原行星盤內(nèi)的固體顆粒物分布呈現(xiàn)較為明顯的兩極化，靠近太陽的位置內(nèi)盤以非炭質(zhì)固體顆粒為主；遠(yuǎn)離太陽的外盤以炭質(zhì)為主。在外盤的固體顆粒流入內(nèi)盤之前，內(nèi)盤非炭隕石（包括無球粒隕石，普通球粒隕石和頑火輝石球粒隕石）的母體們靠吸積耐火物質(zhì)而形成；與此同時(shí)，外盤的炭質(zhì)球粒隕石母體吸積炭質(zhì)顆粒物逐漸長大。在約兩至三百萬年之后，炭質(zhì)顆粒物最終遷移進(jìn)入內(nèi)盤。