地球成形之前 巨行星轨道或上演过一场“车祸”

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太阳系诞生之初，星际空间中的气体分子云坍缩，中心部分形成太阳，残余物质绕恒星旋转形成一个扁平的原行星盘。这个时期也被称为太阳系的气体盘时期，行星成长在行星盘内，与盘中气体相互作用，轨道逐渐圆化并向内迁移。

科学家尝试通过研究木星、土星、海王星及天王的动力学变迁，求索太阳系的成长历程。4月28日，记者从浙江大学获悉，该校物理学院刘倍贝研究员与法国波尔多大学雷蒙德教授和美国密歇根州立大学雅格布森教授共同提出太阳系巨行星轨道演化的新模型。他们指出，在太阳系初期，原行星盘受到太阳光致蒸发作用，盘中气体从内向外耗散诱发了巨行星轨道的重塑并引起动力学不稳定。相关研究近日刊登于《自然》。  

巨行星轨道动力学不稳定何时发生

巨行星轨道演化对包括地球在内的其他行星、卫星和小天体的演化，地球生命的起源、宜居特性等多方面影响深远。

学界认为，在气体盘时期，太阳系的土星、木星、天王星、海王星等四大巨行星通过迁移进入轨道共振态，即相邻行星的公转周期为整数比。现今，四大巨行星的轨道分布更为开阔，巨行星也已脱离了原有的共振状态，巨行星的轨道或许经历过动力学剧变。

“想象一座车辆正常流通的高架桥，如果有车辆发生碰撞追尾，整个行车的秩序就会被打乱。”刘倍贝说，描述太阳系巨行星演化是当前最流行的是尼斯模型。

尼斯模型认为，轨道不稳定发生在太阳系诞生数亿年之后，那时原行星盘气体耗散，巨行星与外部的星子盘（由直径为数公里到上百公里的星子组成）相互作用不断交换轨道能量，最终使得行星摆脱共振束缚并引发动力学不稳定。由于该过程能量交换十分缓慢，轨道不稳定属于太阳系诞生数亿年之后的“晚期不稳定”。

刘倍贝团队提出，前人的研究忽略了气体盘耗散过程行星受到气体的作用力反向。可以用气体盘的耗散来解释行星轨道的演化，这是尼斯模型没有考虑到的因素。

“在气体盘演化的晚期，太阳辐射的高能光子直射行星盘，形成的强劲光压首先吹散了靠近太阳的气体，行星盘内部出现了中空的结构。后续光压由内向外逐步驱散盘中剩余气体，行星盘质量伴随着盘内边界向外扩张而减小，这个过程被称为行星盘的光致蒸发。”刘倍贝说，这时太阳就好比一个巨型吹风机，不断“吹”走盘中的气体。

刘倍贝团队通过理论计算发现，由于内边界处气体的快速耗散，行星在该处受到向外的气体作用力，这与行星在盘的其他位置受到向内的力截然不同。当气体盘内边界由光致蒸发向外扩张时，原本向内迁移的行星改变运动方向，随内边界共同向外移动。巨行星由于质量不同，它们向外迁移的速度也不同，从而打破原轨道共振态并引发了动力学不稳定。

太阳系内其他天体遗留下了佐证

该论文提出，早期巨行星轨道的动力学不稳定，导致起初的四大巨行星与另一个冰巨星在气体盘耗散时经历了大幅度轨道变化，冰巨星与木星的触碰后被甩出太阳系，达到稳定的四大巨行星最终的轨道分布。这点与如今观测结果吻合。

“团队研究表明，该过程导致的动力学不稳定紧随着气体盘耗散，在太阳系诞生后约五百万到一千万年间发生。有别于尼斯模型，我们的模型中巨行星轨道不稳定发生的时间更早。”刘倍贝说。

“我们能从月球陨石坑的年龄找到新的佐证。”刘倍贝介绍，巨行星动力学不稳定会打破太阳系原有的平静，它们强大的引力扰动迫使周围小天体不断撞向其他行星和卫星，并在星体表面留下陨石坑。月球陨石坑有着广泛的年龄分布，小行星撞击事件随时间自然衰减，这也与团队提出的早期不稳定模型研究契合。

此外，类地行星的轨道也支持刘倍贝团队的模型。根据观测，原始地球形成于原行星盘阶段，在太阳系诞生后3000万至1亿年间最终长成。如果不稳定发生在地球完全形成之前，巨行星轨道动荡有概率触发大碰撞事件，诱发原始地球与一个火星大小的天体相撞，逐渐形成现今的地月系统。

“按尼斯模型所预期的，不稳定发生在地球形成之后，地球就不能成为今天的地球。”刘倍贝认为，早期动力学不稳定更符合来自太阳系其他天体关于小行星撞击时间的记录。新模型也可以更好地解释后续形成的类地行星的质量和轨道构型，这些均为其有别于传统模型的优点。

“这一模型很可能是太阳系演化理论中缺失的成分，文章新颖且意义重大。”《自然》杂志审稿人对该研究评价道。刘倍贝则表示，未来团队会进一步探究巨行星轨道演化对地球形成及其水起源的影响等问题。