太陽系為何如此古怪?在這個(gè)怪異空間中，在這里邊行星的軌道離恒星的距離為何比起太陽和地球的距離還近?木星又為何酷愛“折騰”，在太陽系中橫沖直撞?我們的太陽系究竟還有多少秘密?
據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，“太陽系越看越古怪，”來自加州大學(xué)的行星科學(xué)家Gregory Laughlin說，只是目前還沒法很快搞明白太陽系到底有多奇怪。我們對(duì)于太陽系并不陌生，這里是我們的家。上學(xué)時(shí)我們就已大致了解這個(gè)星系里的所有星球，記住了它們的名字和按照距離太陽遠(yuǎn)近來排列的順序。距離太陽最近的四顆星球有著可以行走的巖石陸地，也方便宇宙飛船登陸。剩下的星球(除了冥王星外)，都是帶有美麗光環(huán)的巨型氣體星球。行星之間是小行星帶，充當(dāng)著護(hù)城河。配置簡(jiǎn)潔，一個(gè)半世紀(jì)以來，我們關(guān)于行星的了解大抵如此，一直到了1995年。當(dāng)時(shí)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)行星繞著恒星旋轉(zhuǎn)的星系，大小與木星相當(dāng)，命名為51Pegasi B。之后的20年里，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了數(shù)千個(gè)這樣的星系。而據(jù)估計(jì)，整個(gè)銀河系里有幾千億個(gè)?，F(xiàn)在我們終于知道了，太陽系根本不孤單。
這些星系差不多就是一個(gè)縮小版的宇宙，充滿著無序，宇宙的各個(gè)角落大概都是一個(gè)樣子，沒什么差別。但是在如果在這些多行星系間比較，我們的太陽系足夠神奇到立馬脫穎而出?？茖W(xué)家正在嘗試解釋它為什么會(huì)這奇怪。如果真的證實(shí)了它是茫茫宇宙中一個(gè)特異存在，那么連同我們和所有的生命都是如此了。
怪異的空間
行星和恒星一樣普遍，知道這個(gè)事實(shí)就會(huì)意識(shí)到行星驚人的多樣性。“我們總是隱約希望行星都是類似的，”Laughlin說，“它們確實(shí)差不多，但遠(yuǎn)比太陽系給我們的想象要古怪的多。”利用開普勒天文望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了各種不同形狀和大小的行星和行星系統(tǒng)，譬如一個(gè)規(guī)模相當(dāng)于木星和它的最大的四顆衛(wèi)星的Q版行星系。在另一些星系中，行星繞行的軌道面與恒星的旋轉(zhuǎn)軸的角度非常大。還有少數(shù)星系，行星可以同時(shí)圍繞兩個(gè)恒星旋轉(zhuǎn)，類似于令星球大戰(zhàn)影迷瘋狂的雙恒星星系現(xiàn)實(shí)版。
太陽系里的行星不是小型的巖石星球就是巨型的氣體星球。但是現(xiàn)在，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)其他大部分行星都沒法歸入這兩個(gè)類別，而是介于兩種類型之間，沒氣海王星(氣體行星)大，比地球小。最小的一顆偶爾被稱為“超級(jí)地球”(這個(gè)名字有些誤導(dǎo)，因?yàn)槌?jí)地球一點(diǎn)也沒必要像地球，只是個(gè)頭比地球大些)，可能是個(gè)巖石行星。稍大一些的叫子海王星，里面大部分是氣體。更奇怪的是，很多行星的軌道都離恒星非常近，比水星與太陽的距離還要近。2009年天文學(xué)家第一次發(fā)現(xiàn)這種行星時(shí)，大多數(shù)天文學(xué)家都是持懷疑態(tài)度的。“簡(jiǎn)直是瘋狂到令大多數(shù)人都不相信”Laughlin說。開普勒上天后，證實(shí)了它確實(shí)存在，而且無處不在。事實(shí)上，銀河系里半數(shù)的恒星可能都擁有這種緊密的超級(jí)地球式的行星?！斑@算是最大的不同點(diǎn)之一，”Laughlin說，“因?yàn)樵诰嚯x太陽最近的水星與太陽之間，空空如也，連一顆小行星都沒有?！?/p>
木星是另一個(gè)讓太陽系奇怪起來的地方。像木星那樣的大行星并不常見，而且大多數(shù)的軌道半徑都地球和火星的軌道半徑差不多。與木星軌道半徑相近的大行星只有2%。沒人知道太陽系為何與眾不同，對(duì)此，Laughlin有自己的觀點(diǎn)。他在解釋中設(shè)計(jì)了一個(gè)精巧的場(chǎng)景，游牧的木星突襲并摧毀了還在嬰兒時(shí)期的行星，改變了太陽系的命運(yùn)，為我們所深愛的地球清出一條路。
折騰的木星
當(dāng)氣體云坍縮成一個(gè)高密度球體時(shí)，行星幾乎是跟著恒星誕生的，前后腳的關(guān)系。殘余的氣體和塵埃圍繞著恒星旋轉(zhuǎn)，逐漸蛻變成一個(gè)披薩式的圓盤。圓盤中的物質(zhì)又漸漸聚集在一起創(chuàng)造出一個(gè)新世界。過去天文學(xué)家認(rèn)為行星誕生的地方就是它們現(xiàn)在所處的位置。炙熱的恒星附近，一些以發(fā)揮的化合物如冰和氣體都不會(huì)存在太久。留下來都是巖石或者金屬，所以太陽附近存活下來的是巖石類的行星。遠(yuǎn)離恒星的地方氣體和碎冰才能得以保存，最終匯形成我們今天所見到的氣體行星。不過，天文學(xué)家后來也發(fā)現(xiàn)了靠近恒星的氣體行星。此時(shí)天文學(xué)家才意識(shí)到這些氣體恒星很可能是在形成之后再慢慢靠近恒星的。行星遷移可能很普遍，太陽系里的氣體行星可能都有這樣折騰過。
“過去，我們認(rèn)為這些氣體行星個(gè)頭太大，從未移動(dòng)過，是我們的錨定點(diǎn)?！泵绹?guó)科羅拉多博爾德西南研究所(Southwest Research Institute)的行星科學(xué)家Kevin Walsh解釋道，在之前的行星形成理論中，科學(xué)家假設(shè)氣體行星總是固定在一個(gè)點(diǎn)上?，F(xiàn)在，沒有什么錨定點(diǎn)了?！?/p>
在太陽系形成的早期，木星也曾經(jīng)移動(dòng)過。這一過程被稱為“大策略模型”(Grand Tack Model)，木星走的不是直線，而是類似于帆船在海面上行駛的“之”字形路線。在這個(gè)假設(shè)場(chǎng)景中，木星形成的位置距離太陽要比現(xiàn)在的近，大約三個(gè)天文單位(一個(gè)天文單位等于地球到太陽之間的平均距離，簡(jiǎn)稱“1AU”)左右。那時(shí)的太陽還是幾百萬歲的嬰兒，在不停地充氣。當(dāng)木星繞著太陽轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，木星軌道外圍的氣體不斷的將木星推向太陽系內(nèi)部，這個(gè)過程被土星的形成打斷了。土星形成于木星的外圍，它阻斷了把木星推向太陽的氣體。此時(shí)，木星距離太陽的距離已經(jīng)縮短了一半。另一股力量占了主導(dǎo)，木星與其軌道內(nèi)部的氣體之間的互動(dòng)力又把木星往后拖，木星才得以脫險(xiǎn)，安享在距離太陽5.2個(gè)天文單位的地方。
“大策略模型”理論解釋了太陽系中很多不能解釋的特征，這讓行星學(xué)家們很興奮。木星這個(gè)一來一回的路線清除了路上的氣體障礙，天文學(xué)家據(jù)此設(shè)想這一過程對(duì)火星的形成至關(guān)重要。之前的理論框架中推算出的火星體積過大，與現(xiàn)實(shí)不符。而“大策略模型”下的火星大小剛剛好。“大策略”中推測(cè)出的小行星在帶質(zhì)量、軌道以及構(gòu)成物質(zhì)上，都接近于我們今天所看到的小行星帶?！按蟛呗浴敝荒苊枋瞿拘鞘侨绾蔚竭_(dá)現(xiàn)在一個(gè)相對(duì)較遠(yuǎn)的位置上的，解釋不了為什么木星是太陽系里形成的第一顆行星。
Laughlin承認(rèn)“大策略理論”聽上去太復(fù)雜，有點(diǎn)瘋狂?！笆聦?shí)上，你不得不去懷疑它的可能性。從過去到現(xiàn)在，我一直在懷疑。”但是考慮到到目前為止，也只有“大策略”理論是比較成功的，Laughlin和另一個(gè)來自美國(guó)加州帕薩迪納研究所理論學(xué)家Konstantin Batygin，決定繼續(xù)沿用“大策略”模型進(jìn)行深入研究。“先把懷疑放一邊，看看大策略能給我們帶來什么樣的結(jié)果?！苯Y(jié)果非常暴力。計(jì)算機(jī)模擬顯示，當(dāng)木星不斷向太陽系內(nèi)部進(jìn)發(fā)時(shí)，一路上橫掃千軍，像一架犁，犁過了所有氣體、塵埃和半成型的行星--直徑小于1000公里的行星，也被成為星子，并觸發(fā)了星子之間的碰撞，碎裂成更小的石塊。當(dāng)石塊直徑小于1公里時(shí)，周圍的氣體便輕而易舉地將它們拖進(jìn)了太陽。其他恒星附近存在超級(jí)地球，而幾個(gè)超級(jí)地球就能跟著星子形成一個(gè)行星。但是如果有類似木星的行星靠近，行星引力會(huì)鎖定超級(jí)地球與星子，然后將連帶著超級(jí)地球?qū)⑿亲铀瓦M(jìn)了太陽。
木星安全抵達(dá)外太陽系時(shí)，一路上留下的碎片足夠形成地球和其他小型的巖石星球了。如果這是真的，其他行星系統(tǒng)的情況也大體相同。感謝折騰的木星，讓水星與太陽間的距離空間如此清爽干凈。否則現(xiàn)在留下的將是一堆混亂的超級(jí)地球，沒有地球就沒有我們了。這些解釋還是在講故事，一連串錯(cuò)綜復(fù)雜的事件不過強(qiáng)調(diào)了我們居住的太陽系有多古怪。從目前的數(shù)據(jù)上看，“大策略”理論還是頗有希望被證實(shí)的?！俺醪桔E象開了個(gè)好頭，”Laughlin說“那些周圍存在超級(jí)地球的恒星是沒有類似木星的遠(yuǎn)處行星的”到底能不能被證實(shí)，得到了2017年太陽系外行星調(diào)查衛(wèi)星(TESS)發(fā)射之后才能揭曉。外行星調(diào)查衛(wèi)星將在太陽附近搜尋行星。Laughlin不會(huì)一直按照“大策略”模型來?！拔覀冎皇侵懒颂栂当容^特別，”他說，“這是初步理解這一現(xiàn)實(shí)所要做的工作之一。我敢肯定，還會(huì)有很多更好的更有說服力的理論在等著我們?！?/p>
只有小古怪，沒有大不同
太陽系真的古怪到孤家寡人的地步?“眼前所有的跡象都在暗示著我們是這個(gè)宇宙的稀有物種，”Walsh說。但同時(shí)，宇宙行星的排查工作還遠(yuǎn)位完成。天文學(xué)家只是尚未探測(cè)到許多類似太陽系中的行星?！爸挥媚壳暗姆椒ǜy難發(fā)現(xiàn)與我們類似的行星系統(tǒng)，”來自賓夕法尼亞州立大學(xué)的行星學(xué)家Jim Kasting說，“我們沒找到并不意味著它們不常見，只能說明它們不容易被發(fā)現(xiàn)?！薄坝绕涫钱?dāng)前的望遠(yuǎn)鏡還看不到其它小于地球的行星。也沒有一顆外行星調(diào)查衛(wèi)星有能力在其他類太陽系星系中探到一顆在軌道半徑與大小上類似地球的行星。”在太陽系外發(fā)現(xiàn)更大的這樣的行星需要更多的時(shí)間。目前開普勒和TESS只能通過行星走到恒星前留下的暗點(diǎn)來撲捉行星的蹤影。但是由于很多行星軌道太大，像土星的繞軌道一周需要29年，天文學(xué)家撲捉一次行星過境需要等上很多年。但是我們依然不缺少分析關(guān)于軌道半徑比水星還短的超級(jí)地球的數(shù)據(jù)。
“它們太常見了，”Laughlin說。少見的是軌道半徑類似于木星的氣體行星。像太陽這樣的恒星也不是少到稀有的程度，總數(shù)占整個(gè)銀河系所有恒星的10%?！八裕栂凳悄撤N程度上的古怪?！闭f到底，“古怪”只是一種主觀感受。有人估計(jì)銀河系有五分之一的類太陽恒星擁有這樣古怪的配置，占銀河系恒星總數(shù)的2%左右。不要覺著1%和2%很小，銀河系有幾千億個(gè)這樣的星系，1%就意味著幾十個(gè)億?！斑@種情況下，如果太陽系依然能獨(dú)樹一幟，就真的讓人驚嘆了”，NASA埃姆斯研究中心(Ames Research Center)的行星學(xué)家Jack Lissauer說道?！皬膸资畠|個(gè)星系中脫穎而出幾乎是不可能的。”這也是個(gè)好事，找到“地球雙胞胎”的可能性大大提升。Lissauer說他相信地球是唯一的，也相信那里也可以像地球一樣生機(jī)勃勃。
科學(xué)家認(rèn)為這些古怪只是其中的特殊性，太陽系在宇宙中或許并不孤單，我們依舊有希望找到我們的宇宙伙伴。
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