“流浪木星”重定义太阳系

“流浪木星”重定义太阳系

木星形成后不久,它随着旋转的气体流动,被慢慢拉向太阳。土星也被拉进来,当两颗巨行星相互靠近,它们的命运就变得紧密相连了。当木星到达火星现在的位置时,它们掉入太阳的死亡螺旋停止了,之后这对巨行星转向移动并离太阳越来越远。开发这种早期太阳系模型的研究人员将其称为“大迁徙假说(Grand Tack)”。
Credit: NASA/GSFC

长期以来,木星一直是我们太阳的第五颗行星,但是它年轻时可是个流浪者。在很久以前,这颗巨行星朝着太阳系中心移动,之后又向外迁徙,一度到达现在火星的位置。木星的旅程深深地影响了太阳系,改变了小行星带的性质,使火星变得比它应该的更小。这些细节基于由国际团队(包括位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心)开发的早期太阳系的模型。研究结果在一篇2011年6月5日发表在《自然》的论文中报道。

“我们将木星的路径称为‘大迁徙假说(Grand Tack)’,因为这项研究的主题是木星向太阳移动,然后停止,转身,向外迁移,”该论文的第一作者、西南研究所(Southwest Research Institute,位于科罗拉多州博尔德市)的Kevin Walsh说,“这种方向的变化就像帆船在浮标绕半圈返航一样(注:帆船这种操作的动词称为‘tack’)。”

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根据新模型,木星在大约3.5个天文单位(注:1个天文单位,即1AU,是一个平均日地距离)的区域形成。因为当时大量的气体仍在太阳周围旋转,这颗巨大的行星被气体所吸引并拉向太阳。木星慢慢地向内旋转,直到它停在大约1.5个天文单位的距离,大约是火星现在的位置(当时火星还不存在)。

“我们推测木星停止向太阳移动是因为土星,”NASA戈达德的行星科学家、该论文的共同作者Avi Mandell说。其他合著者有法国尼斯的天文台(Aservandire de la Cote d’Azur)的Alessandro Morbidelli、法国波尔多天文台(Observatoire de Bordeaux)的Sean Raymond、和行星科学研究所(Planetary Science Institute,位于亚利桑那州图森)的David O’Brien。

像木星一样,土星在形成后不久就也被引向太阳。该模型认为,一旦两颗巨行星相互靠近,它们的命运就会永久地联系在一起。渐渐地,两个行星之间的所有气体被驱逐出去,使它们向太阳的死亡螺旋停止,并最终逆转它们的运动方向。这两颗行星一起向外行进,直到木星达到当前位置的5.2AU,土星则停留在大约7AU。(后来,其他力将土星推向了9.5AU,到达它今天的位置。)

这趟“旅行”花费了数十万到数百万年,影响非凡。

“流浪木星”重定义太阳系

在艺术家的概念图中,气体和尘埃(制造行星的原材料)围绕着一颗年轻的恒星旋转。我们太阳系的行星形成于太阳周围类似的气体和尘埃盘。
Credit: NASA/JPL-Caltech

木星的足迹

Mandell说:“木星的迁入迁出可以解决小行星带的长期谜团:为什么它由干燥的岩石小天体和含冰小天体组成。”

天文学家认为小行星带的存在是因为木星的引力阻止了那里的岩石材料聚集在一起形成一颗行星,所以该区域仍是一个松散的材料集合。一些科学家此前曾考虑过木星在某些时候可能会靠近太阳的可能性,但这导致了一个主要问题:如果这样,木星会将小行星带中的物质打散,小行星带将不复存在。

“很长一段时间,这个想法限制了我们想象中木星可能的活动,”Walsh指出。

大迁徙假说不是让木星在向太阳移动时摧毁小行星带,而是说木星扰乱物体并将整个区域推得更远。 “木星的迁移过程缓慢,”Mandell解释说,“所以当它接近小行星带时,这不是一次猛烈的碰撞,而是更像缓慢的互绕步(do-si-do),木星会使小天体偏转,最后基本上会与小行星带转换位置。 “

同样地,当木星远离太阳时,行星将小行星带向内推,使它到达我们熟悉的位置(火星和木星轨道之间)。而且因为木星比之前走得更远,到达了存在含冰物质的区域,巨大的行星使这些含冰小天体偏向太阳并进入小行星带。

“最终结果是,小行星带中有来自内太阳系的岩石物体和来自外太阳系的含冰物体,”Walsh说, “我们的模型与不同材料的物质所应在的位置一致,就像我们今天在小行星带看到的那样。”

可怜的火星

木星在内太阳系流浪时产生了另一个重要影响:它的存在使得火星比本应形成的更小。 “为什么火星如此之小一直是我们太阳系形成中无法解决的问题,”Mandell说道,“这是团队开发太阳系形成新模型的最初动力。”

由于火星形成于比金星和地球更远的位置,它可以吸引来更多的原材料(原因请看注释),应该比金星和地球更大;但是,它反而更小。 “对于行星科学家来说,这根本说不通,”Mandell补充道。

但是,如果正如大迁徙假说所表示的那样,木星在内太阳系中溜达了一段时间,它就会分散一些可用于制造行星的材料。大约1AU外大部分材料都会被木星打散,只留给1.5AU处的火星一些微薄的原料。然而,地球和金星并不受影响,它们仍然在材料丰富的区域形成。

“凭借大迁徙假说,我们开始着手解释火星的形成;同时,我们不得不考虑小行星带,”Walsh说,“令我们惊讶的是,该模型对小行星带的解释成为最好的结果之一,并帮助我们比以前更好地了解它。”

另一个意外收获是,新模型将木星、土星和其他巨行星置于与“尼斯模型(Nice model)”非常吻合的位置,这是一个相对较新的理论,可以解释太阳系历史中这些大行星的运动。

大迁徙假说也使我们的太阳系与迄今为止发现的其他行星系统非常相似。在许多情况下,被称为“热木星(hot Jupiters)”的巨大的气体巨行星离它们的主星非常近(注:一般只有0.015-0.5AU,而木星轨道半径约为5AU),比水星离太阳更近。对于行星科学家来说,这种新发现的相似令人感到欣慰。

Walsh说:“知道我们自己的行星在过去经常移动,使太阳系比我们之前以为的更像我们的邻居,我们不再是一个异类了。”

译者注释:

1. 关于太阳系的形成

星系形成始于冷分子云(基本上是氢分子的集合),它们温度低密度大,通过重力会吸引气体、颗粒等物质过来。随着越来越多的“原料”加入,这些物质会产生净旋转、形成圆盘来吸积更多物质。新来物质的势能变成里面气体的动能,越来越多碰撞产生热,当中心温度和密度升到足够高的时候,恒星就形成了。绝大多数材料都被新诞生的恒星吃掉了,圆盘上的剩余物变成行星、小行星等。而离太阳的远近决定了什么物质可以在对应的温度下凝结、从而成为构成小天体的材料。

在离太阳近的位置,温度相对较高,只有比较重的元素可以凝结;而随着离太阳越来越远,温度降到约300K以下,“冰(ices,可理解为氢化合物的固态形式)”也会参与到构成行星的活动中来,同时低温度也使这些行星可以用重力捕捉到氢、氦这种很轻的气体(为什么请看2),所以在离太阳远的地方,有更多“行星原材料”。这就是为什么太阳系的前四颗都是密度大、体积小、质量小的岩石行星,而后四颗气态行星的体积和质量都很大。

2.为什么地球上氢气很少?

我们知道氢、氦是宇宙中最充足的正常物质(按质量分别占74%和24%),它们也是气态行星的主要成分,那为什么地球上的氢如此少?地球离太阳较近,温度高,氢分子运动的速度很快,很轻易就可以逃离地球的引力。相反,像木星这样的巨型气态星球就可以轻松捕捉氢,因为它所在的位置温度低,氢无法逃离木星的引力。

3.木星质量在天文学中的意义

木星质量(Jupiter mass,符号是MJ)是主要用于量度行星、褐矮星(质量位于行星和恒星之间)质量的单位,一个木星质量(1MJ)是1.90×10^27 kg,不到千分之一太阳质量(Solar mass,符号是M☉,常用于度量宇宙中其它东西的质量,包括恒星、星系、黑洞等等)。~75MJ (0.08M☉)是恒星质量的下限,即低于这个质量温度则无法高到点燃核聚变,无法成为恒星。顺带提一下,~100M☉是恒星质量的上限,高于这个质量恒星将无法克服自身的重力,难免塌缩的命运。

参见
[1]:https://www.nasa.gov/topics/solarsystem/features/young-jupiter.html

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  1. 晓飞 张说道:

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