（Shea 編譯）關(guān)于木星，我們知道許多事情。這顆氣態(tài)巨行星的質(zhì)量是地球的317.8倍。這個(gè)數(shù)字也相當(dāng)于太陽系中其他行星總質(zhì)量的2倍。它擁有4顆大型衛(wèi)星和許多小衛(wèi)星，它的自轉(zhuǎn)速度驚人，木星上的一“天”不足10個(gè)小時(shí)。
不過，在木星身上也有一些東西在不斷給我們帶來驚喜。例如，誰曾想到這顆由氫和氦構(gòu)成的巨行星其實(shí)有著驚人的破壞力，幫助塑造了今天我們所知的整個(gè)太陽系？
如現(xiàn)在所見，8顆行星正在以規(guī)則且固定的軌道繞太陽公轉(zhuǎn)。水星位于最內(nèi)側(cè)，向外依次是金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。然而，這一排列并非一貫如此。雖然現(xiàn)在的一切看似有序，但有一些異常已經(jīng)困擾了天文學(xué)家好一段時(shí)間。
其中一個(gè)問題就是火星。當(dāng)天文學(xué)家試圖利用計(jì)算機(jī)來模擬太陽系最內(nèi)層4顆行星的形成時(shí)，火星的質(zhì)量要么比現(xiàn)在大10倍，要么遠(yuǎn)比實(shí)際的更加靠近太陽?？茖W(xué)家一直在思考，是什么東西扼制了火星的生長，并改變了它的軌道。一些天文學(xué)家認(rèn)為，答案就是木星。
多年來，不同的研究一直在嘗試為這個(gè)問題提供解答。2009年，美國加州大學(xué)洛杉磯分校的布拉德·漢森（Brad Hansen）提出一個(gè)理論，認(rèn)為太陽系中的固態(tài)物質(zhì)僅分布在一個(gè)特定的范圍之內(nèi)。他認(rèn)為這個(gè)邊界在距離太陽1個(gè)天文單位處，在這之外的行星會因?yàn)槿鄙傥镔|(zhì)而無法生長。
這個(gè)想法很有效——1個(gè)天文單位是地球到太陽的距離，這可以解釋為什么地球和金星的質(zhì)量都遠(yuǎn)大于火星?；鹦堑教柕木嚯x為1.5個(gè)天文單位，位于漢森提出的邊界之外。這使得火星會因?yàn)槿鄙俟虘B(tài)物質(zhì)而無法生長變大，聽起來似乎是一個(gè)完美的解釋。然而，有一個(gè)關(guān)鍵要素缺失了。“漢森并沒有解釋他是如何得出這一邊界所在位置的，”天文學(xué)家亞歷山德羅·莫爾比代利（Alessandro Morbidelli）說。它也無法解釋遠(yuǎn)在1個(gè)天文單位之外的氣態(tài)行星和小行星帶。
為了解釋火星質(zhì)量太低的問題，莫爾比代利與肖恩·雷蒙德（Sean Raymond）、凱文·沃爾什（Kevin Walsh）、阿維·曼德爾（Avi Mandell）和戴維·奧布萊恩（David O'Brien）一起，開始更加仔細(xì)地審視太陽系中最大的行星——木星。他們最終提出了一個(gè)大遷徙假說，認(rèn)為木星是太陽系中形成的第一顆行星，它在其一生中進(jìn)行了2次遷移：一開始向內(nèi)朝太陽運(yùn)動，然后又向外遷移到它今天的位置。這正是事情變得相當(dāng)有趣的地方。為了形成一顆質(zhì)量較小的火星，必須要削減它的引力俘獲區(qū)。這是一個(gè)非?；镜南敕?，火星要體型小，就不得不挨餓，而地球和金星卻沒有這樣。所以這些天文學(xué)家想知道，木星會如何？如果它一直位于火星現(xiàn)在的位置，會發(fā)生什么情況？
他們提出木星曾穿行于內(nèi)太陽系中，從初始時(shí)距離太陽3.5個(gè)天文單位運(yùn)動到了僅1.5個(gè)天文單位處，后者正好是目前火星軌道所在的位置。在太陽系歷史的早期，年輕的太陽周圍存在著一個(gè)原行星盤，其中濃密的氣流和引力會把木星向內(nèi)推。這個(gè)盤中的稠密氣體使得木星不會太過靠近而最終掉入太陽，但這同時(shí)也意味著木星會吸積掉該區(qū)域中大量的物質(zhì)，對此后火星的形成和生長產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
在這個(gè)階段，類地行星還都沒有形成。水星、金星、地球和火星要比氣態(tài)巨行星更為年輕，它們誕生的時(shí)間要晚得多。大遷徙假說提出，在太陽系形成的最初一千萬年里，土星會隨著木星一起朝太陽方向遷移，并且它們會進(jìn)入軌道共振狀態(tài)。這意味著土星和木星會對彼此產(chǎn)生規(guī)律且周期性的引力作用，由此它們會清除掉位于它們之間的所有氣體，并最終使得這兩顆氣態(tài)巨行星朝外太陽系遷移。
木星最終達(dá)到了其目前5.2個(gè)天文單位的位置，但由于之前在火星今天的軌道上吸積了大量的物質(zhì)，直接導(dǎo)致火星生長受阻，無法長到金星和地球的大小。更重要的是，在遷移的過程中，由于木星到太陽的距離始終沒有小于1.5個(gè)天文單位，因此它沒有對更靠近太陽的物質(zhì)產(chǎn)生影響。這也意味著最內(nèi)層的3顆類地行星——水星、金星和地球——能夠如預(yù)期一樣正常形成。
要理解木星如何影響火星，只需把火星和地球做個(gè)比較。在形成的起始階段，地球和火星都會快速生長，但這個(gè)過程在地球身上得以繼續(xù)，而火星則沒有。雖然火星被認(rèn)為形成于距離太陽約1個(gè)天文單位處，在那里它能夠形成其核心，但引力相互作用把它推到了約1.5個(gè)天文單位的地方，使得它自在了一個(gè)缺乏物質(zhì)的區(qū)域，無法進(jìn)一步生長。因此，火星在地球完全成形前很久就被迫停止生長了。
火星形成的時(shí)標(biāo)要比地球短得多。地球在其最初的500萬～1000萬年中積聚了約50%的質(zhì)量。地球形成花了1億年的時(shí)間，而火星只花了400萬年。因此，在開始的時(shí)候，火星積聚質(zhì)量，然后突然停了下來。木星清空這一區(qū)域、僅留下少量物質(zhì)的想法可以解釋火星的質(zhì)量，也可以解釋火星的生長過程何以戛然而止。
行星之王的殺戮歷史
木星先向內(nèi)、后向外的遷移，對太陽系產(chǎn)生了重大而深遠(yuǎn)的影響。
0年：木星形成
在早期太陽系中，原行星盤中有濃密的氣體和塵埃在繞太陽轉(zhuǎn)動。木星最早形成于原行星盤中距離太陽3.5個(gè)天文單位的地方。
70 000年：主要引力源
木星從原行星盤中吸積氣體，使之成為一顆氣態(tài)巨行星。在這個(gè)盤中打開了一道巨大的縫，隨后木星開始朝著太陽向內(nèi)遷移。
80 000年：超級地球碰撞
有一種理論認(rèn)為，木星的引力使得形成于太陽附近的超級地球發(fā)生相撞。撞出的碎片殘骸掉入了太陽，但留存下的物質(zhì)形成了今天所看到的類地行星。
100 000年：土星形成
土星形成于木星遷移到4.5個(gè)天文單位之前。在接近其目前的質(zhì)量時(shí)，它與原行星盤中氣體的引力相互作用使得它向內(nèi)遷移。
120 000年：氣態(tài)巨行星彼此靠近
在盤中氣流的推動下，土星逐漸靠近木星，進(jìn)入軌道共振的狀態(tài)。土星每繞太陽公轉(zhuǎn)2周，木星則繞太陽公轉(zhuǎn)3周。
300 000年：向外遷移
在這個(gè)階段，木星位于距離太陽1.5個(gè)天文單位處，與今天火星占據(jù)的軌道一致。之后，木星調(diào)頭，它和土星開始遠(yuǎn)離太陽向外遷移。
500 000年：清除小行星
隨著木星和土星向外遷移，木星會沿途清除掉它所遇到的15%的小行星。這解釋了為什么存在兩類小行星以及小行星帶的質(zhì)量缺失。
600 000年：木星止步
由于原行星盤中的氣體耗盡，木星向外遷移的速度放緩并最終止步于現(xiàn)在的5.2個(gè)天文單位處。天王星和海王星通過共振被俘獲。它們都生長到了現(xiàn)有的質(zhì)量。
在塑造太陽系的過程中，木星的潛在作用并不僅限于此。一些科學(xué)家認(rèn)為，太陽系中曾經(jīng)存在過超級地球，它們的質(zhì)量可達(dá)地球的10倍，但要小于海王星。就像在其他許多行星系統(tǒng)中所觀測到的，它們都十分靠近宿主恒星。不同于今天我們所見的太陽系，它們幫助形成了最早的太陽系，但它們很可能已經(jīng)被所向無敵的木星破壞了。
這聽起來很稀奇，卻是由美國加州理工學(xué)院的行星科學(xué)家康斯坦丁·巴特金（Konstantin Batygin）和美國加州大學(xué)圣克魯斯分校的天文學(xué)家格雷格·勞克林（Greg Laughlin）提出的一個(gè)理論。他們的這個(gè)想法使用了大遷移假說，提出它的靈感則來自于開普勒空間望遠(yuǎn)鏡。該空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，銀河系中的恒星普遍都擁有非常靠近它自身的巖質(zhì)行星，這些行星的質(zhì)量比地球大，并且擁有稀薄的大氣。
這一發(fā)現(xiàn)暗示，在內(nèi)太陽系有行星不見了蹤影。其他行星系統(tǒng)中的氣態(tài)巨行星到其宿主恒星的距離往往只有水星到太陽距離的1/10。這著實(shí)讓人思考，木星是如何形成的，以及大遷徙又如何清空了內(nèi)太陽系。巴特金和勞克林的想法是，如果太陽系與其他的行星系統(tǒng)相似，那么在短周期的軌道上應(yīng)該有一些超級地球存在。但是，如果曾經(jīng)確實(shí)是這樣的話，那么今天天文學(xué)家將不得不解釋這些超級地球又去往了什么地方。
巴特金和勞克林認(rèn)為，超級地球形成于木星向內(nèi)遷移之前。在最早的階段，超級地球會快速形成。由于表面密度高，也因?yàn)檐壍乐芷诙蹋鼈兛梢垣@得大量的物質(zhì)，進(jìn)而迅速生長。
當(dāng)木星在大遷徙假說中向太陽運(yùn)動時(shí)，巴特金和勞克林認(rèn)為這會迫使超級地球的軌道發(fā)生交疊，使得它們發(fā)生碰撞并瓦解，這意味著在木星向內(nèi)遷移的過程中，超級地球首當(dāng)其沖遭到破壞。它也會把木星送入了一條在其他許多行星系統(tǒng)中非常典型的軌道。木星會觸發(fā)級聯(lián)式碰撞，位于目前地球所在區(qū)域中正在試圖形成的所有天體，都會開始發(fā)生碰撞并解體。
其結(jié)果是，在氣體阻尼力下，超級地球的殘骸會被推入太陽，由此清空了水星和太陽之間的區(qū)域，這也解釋了那里鮮有物質(zhì)存在的緣由。如果被證實(shí)，這一理論有助于解釋為什么太陽系會變得如此不同于其他的行星系統(tǒng)，以及為什么今天太陽系的類地行星會如此之小。它認(rèn)為第一代行星已被摧毀，更小的行星在第二波形成浪潮中取而代之。
“大遷徙會破壞最初的行星構(gòu)形，”勞克林說，“然后，一旦進(jìn)入共振狀態(tài)，木星和土星會向外遷移，最終地球和其他類地行星得以在木星先向內(nèi)、后向外的遷移過程所留下的殘骸中誕出?！?br>
這正是類地行星的年齡要小于氣態(tài)巨行星的原因。類地行星只有在木星“碾碎”了其沿途的行星體之后才能形成。這構(gòu)建了一個(gè)框架，由此我們可以理解為什么類地行星要比氣態(tài)巨行星更加年輕。在這個(gè)框架下，太陽系曾經(jīng)擁有著奇特和不尋常的特征，和目前所見的迥然不同，而這全都是由木星在其早期的破壞作用所導(dǎo)致的。
大遷徙假說的證據(jù)
火星的質(zhì)量小于預(yù)期。當(dāng)在計(jì)算機(jī)中模擬太陽的原行星盤時(shí)，火星的質(zhì)量要大于現(xiàn)在的數(shù)值，因?yàn)樵谄滠壍栏浇谐渥愕奈镔|(zhì)。大遷徙假說認(rèn)為，木星吸積掉了這些物質(zhì)中的大部分。
小行星帶中存在不同類型的天體：冰質(zhì)小行星和干燥的巖質(zhì)小行星，這向天文學(xué)家提出了挑戰(zhàn)。大遷徙假說認(rèn)為，木星向外的遷移把小行星帶向內(nèi)推，并且把冰質(zhì)的小天體輸送到更靠近太陽的地方。
地球的表面具有“合適”的含水量。太陽系形成的經(jīng)典模型顯示地球上的水要么太多，要么太少。大遷徙假說提出，碳型冰質(zhì)小行星是地球上水的來源。
小行星帶質(zhì)量小于預(yù)期。當(dāng)木星向內(nèi)遷移進(jìn)入、然后又向外遷移出小行星帶時(shí)，它會把小行星帶的質(zhì)量削減到目前的水平。
一顆以近圓軌道運(yùn)動的巨行星并非是在每個(gè)行星系統(tǒng)中都能普遍見到的事情。事實(shí)上，其發(fā)生的概率只有百分之幾。在水星軌道之內(nèi)空無一物也十分不尋常，這很可能是因?yàn)轭惖匦行切纬蓵r(shí)間較晚且缺少物質(zhì)所致。
這可能意味著，有著與地球相似固體表面和大氣壓強(qiáng)的行星也許是比較罕見的?；诂F(xiàn)在對太陽系演化所做出的更為清醒的認(rèn)識和判斷，由此對于在其他行星上存在生命的猜測可能需要回歸審慎的態(tài)度。
即便如此，莫爾比代利并不相信太陽系中曾存在過超級地球。他認(rèn)為巴特金和勞克林的工作仍很初步，有些方面還需要深入。他表示，原行星盤存在內(nèi)邊界，行星是無法越過這一界線的?！按嬖谥恍┳饔脮研行蔷S持在這一邊界上，”他說，“這些作用也會推動塵埃?！背鲇谶@個(gè)原因，行星是無法遷移并掉入太陽的。當(dāng)然，也有人反對大遷徙假說，如果它被證實(shí)，將會產(chǎn)生巨大的影響。
“這會使得太陽系再次變得特殊，”莫爾比代利說?！斑@表明，我們是因?yàn)橐幌盗刑囟ǖ氖录糯嬖谟谶@里的，而很明顯這些事件并不會在任何時(shí)候都發(fā)生。例如，如果木星向內(nèi)遷移得更加靠近太陽，那么我們就不會在這里，因?yàn)榈厍虻拇笮同F(xiàn)在的火星相當(dāng)。不要誤會我的意思，我并不是說這多虧了‘上帝之手’，而是說這一系列事件恰到好處發(fā)生的概率絕對不會高?！保ň庉嫞?a >Steed）
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