我们若是想探寻太阳系的诞生之路
环顾太阳系 我们可以发现若干谜团
我们所见与理论并不相同
我们需要全新的模型
科学事实有时候比科幻作品离奇得多
陌生的新世界已然打破了一切规律
我们找到的行星
出现在我们从没想过会形成的行星地方
我们不得不重新审视理论
迫使天文学家开始怀疑一切
太阳系如何形成 行星又是如何形成
就好像有人抓住太阳系
捡起来 猛烈摇动它
我们的行星可能会移动
位置可能发生很大变化
突然间 一切都变了
这是将行星作为弹球 在地狱之火和混沌中书写的传说
它几乎改变了
我们对太阳系形成每一个步骤的看法
我们的地球位于此地可谓奇迹
有时候 墙上喷溅的血迹
比地板上的尸体
能告诉你更多事实
地平线
太阳系的秘密
翻译：杏仁scarlett CogitoErgoSum 雀儿 甜土豆 石墨烯思思 Mexo
压制：鱼骨头 时间轴&校对&特效&总监：haoyang112
格林威治皇家天文台
是英国天文学的历史发源地
在这里一道道谜题被解开 一个个结果被发现
这里也是一些独特的天文珍宝所在地
这是太阳系仪
太阳系的机械模型
在过去的四百年里 大部分时间
马雷克·库库拉博士 格林威治皇家天文台
我们都以为太阳系行星就是这样的
很明显 比例错得离谱
但它清楚地展示出人们的传统看法
行星的轨道是固定的
太阳在中心位置
围绕着它的是四颗岩质行星
小小的水星在中间 转得飞快
然后是金星 地球 还有绕着地球的月球
之后是火星
带内行星 指小行星带内的行星 从内到外依次为水星 金星 地球和火星 小行星带外的行星称为带外行星 分别为木星 土星 天王星和海王星
带内行星之外
是气态巨行星
木星 太阳系内最大的行星
然后是带着美丽光环的土星
接下来是两颗远日行星 天王星和海王星
天文学家曾一度认为
行星自它们在四十多亿年前形成
就一直在这些固定的轨道上
如此长的时间足以让地球变成今天安身之处
供生命演化
这套机械模型传达了这样一个想法
太阳系的行星沿轨道整齐有序地运行
轨道大体呈圆形
与太阳间的距离是固定的
我们很自然地设想 目前所见的一切天体
在现在的位置形成 并一直待在那
行星的轨道固定这种想法
是数百年来我们理解太阳系的基础
但我们的太阳系中存在着若干谜团
意味着我们要重新考虑所知的一切
是时候构造全新的模型了
近来 天文学家开始解开
太阳系产生和演化的谜团
想要一探究竟
我们首先需要更准确地了解行星
我们需要调整比例
来反映体积上的巨大差异
例如 木星 最大的行星
其半径是地球的11倍
如果你着眼于质量 差异更是悬殊
木星的质量约为地球的300倍
先不谈太阳
如果按这个比例 它会占满半个屋子
当然 行星不是挤在一起的
我们得把气态巨行星和冰质巨行星推得远远的
对于这么大体积的行星 要做到真正的精确
我们需要把轨道放大数千倍
但是 行星为何会在
这些精巧稳定的轨道上运行
仍是天文学上一个巨大的难题
在解决这个难题的过程中
我们也许能够发现地球
如何来到完美的地点让生命演化
在太阳系形成之初
地球并不是现在我们所见的模样
我们也许能逐渐了解一连串事件
造就出星系中最大规模的弹球游戏
太阳系也许会经历许多不同的事情
可能以许多不同的方式演化
木星也许会跑到太阳的旁边
看起来是木星
决定了太阳系的命运
巨行星的故事就是太阳系的故事
我们习惯于思考地球的重要性
事实上 如果你从足够远的地方看去
太阳系主要是四颗大行星 外加一些碎片
我们在宇宙中处于此地
真的只是一场幸运的意外吗
出现的问题是
像太阳系这样的系统究竟有多普通
太阳系的诞生之谜将被揭开
天文学家试图研究出太阳系是如何产生的
他们注意到了一些令人困惑的难题
如果我们研究今天的太阳系
它看起来精巧又简单
四颗岩质行星靠近太阳
稍远一些是四颗庞大的巨行星
但当我们用电脑模拟太阳系形成的时候
总有一些事情说不通
想要找出一个模型
让行星来到今天所在的位置非常困难
比如
火星质量出奇的小
如果我们看看内侧岩质行星
金星和地球质量相当
我们本以为火星也会有类似的质量
实际上不是的
它的质量只有地球或金星的十分之一
这是非常难以解释的一个谜题
关于太阳系诞生有四个关键谜题
这就是其中之一
在太阳系的边缘
两颗远日行星 天王星和海王星
距太阳的距离比我们的预想要远得多
很难解释 在距中心天体这么远时
它们如何形成 而且体积巨大
如果我们去观察小行星带
那里有成千上万的小型岩质天体
但大致可分为两类
一些是岩质小行星 还有一些是冰质的
事实上 这两种类型所在位置
离得很近
而它们应该是在不同条件下形成
但最终都来到了大致相同的位置
这是如何发生的 又是一个谜题
在我们的家园附近
如何解释留给月球无数环形山
迅速而剧烈的轰击
太阳系中有这么多谜团
但解开这四个
火星的大小
带外行星的形成
小行星带的组成
以及月球受到的轰击
我们也许就能解释
地球为何处于生命演化的理想位置
一切都开始于很久
很久以前
45亿年前
太阳在烈焰中诞生
始于气体和尘埃组成的大质量星云的坍缩
在开始阶段
这就是早期太阳系内的样子
这里有新生的太阳
斯考特·博尔顿博士 圣安东尼奥西南研究中心
剩余的东西 只有气体云
星云 原行星云
充满了氢和氦
尘埃和气体
以及正在形成的冰粒
正是这些 最终形成了各个行星
令人吃惊的是
我们对于行星形成的确切过程所知甚少
其中最为神秘的是最大的
最重要的 也似乎是最先形成的
木星 它的形成过程
太阳系的第一颗行星
巨型 大质量的木星
行星中最霸道最巨大的一颗
它吸收了一大半剩余的星云
成为太阳系中的王者
我们知道木星几乎完全由
太阳系原始星云中剩下的氢和氦构成
这意味着它必须迅速形成
因为新形成的太阳温度逐渐升高
将会迅速驱散这些气体
因此这里有一个时间限制
木星必须在天文意义上一瞬间的时间内
即500万年中形成
然而它到底是如何迅速地形成
以及它为何在这个位置形成
到目前为止仍是不解之谜
这正是斯考特·博尔顿希望解决的迷题
他要将一艘太空飞船送往木星
位于帕萨迪纳的喷气推进实验室
是美国宇航局深空操作中心
是去往月球和深空的航天任务的指挥室
包括斯考特的任务 朱诺号探测器
四 三 二 一
载有朱诺号探测器的宇宙神五火箭点火升空
开始飞向木星的旅程
朱诺号探测器于2011年发射
现在已在三百万千米之外
以24万千米每小时的速度向木星飞去
即使以这样的速度
这也将是一场耗时5年的旅程
到2016年 如果一切按计划进行
这个探测器将到达木星
并进入环绕太阳系之王的轨道中
斯考特和他的整个团队
将会在这间控制室 密切关注
在朱诺号探测器进入木星轨道的那一天
这间屋子会挤满了人
这枚探测器正在接近木星
它以难以置信的速度飞行着
比如24万千米每小时 甚至更快
当它接近木星时
我们必须把速度降低
使得木星重力场能俘获它
为此 我们的探测器上有一枚火箭
我们把它指向前方然后点火
那枚火箭必须要在恰当的时间开始喷射
并持续适当长的时间
才能使探测器精确减速到
木星能俘获它的速度
否则我们就将飞过木星
这里将会有热烈的欢呼
一旦我们接收到数据
表明探测器进入绕木星轨道
这间屋子里会一片欢腾
这间屋子是美国宇航局
所有重要项目的控制室
包括最近好奇号探测器成功登陆火星
正如屏幕上正在播放的一样
我们会像那样庆祝的
我都等不及了
一旦进入轨道
朱诺号探测器将环绕木星一年
收集木星形成的重要线索
我们迫不及待地
最想获取的关键数据
和理解早期太阳系及木星如何形成
密切相关
因此 我们想要知道
木星中心是否有一个核
是否有一个由重元素构成的
固态物质聚集的中心
还就只是由氢氦和其他气体
压缩而成呢
木星中心部分的成分
是理解其形成过程的重要线索
无论形成岩质行星还是气态行星
都是很困难的
但是朱诺号探测器会给我们带来一些启示
实际上朱诺号探测器要做的就是
找出"太阳系的配方"
太阳系如何形成 行星又是如何形成
我们所处的阶段
就是搜索原料的清单
这对于任何配方都很重要
首先你必须收集原材料
搞清楚它们的成分
然后才是通过某些步骤
来烤你的蛋糕
但是这个过程的本质还不完全清楚
地球或是火星这样的岩质行星
制作起来是一个缓慢的过程
可能需要近一亿年的时间
但是原料清单却很简单
尘埃
早期太阳系中的尘埃颗粒
非常细小 就像这些 甚至更细
然后 它们通过静电力
聚集在一起
形成越来越大的块
最终 岩石变得足够大
并聚集起来
直到它们自身开始具有足够的引力
但从尘埃颗粒
到能依靠自身引力聚集在一起的岩石
是一个巨大的飞跃
这些岩石 即使它们这么大
我们没人能搬得动
它们的引力还是微不足道的
需要更大的岩石
才能有足够的引力
来吸引其他物质落在它上面
并开始形成像地球这般大小的行星
这是个缓慢的过程
但是形成岩质行星就是一个缓慢的过程
另一方面 要形成气态行星就更困难了
必须要动作迅速
因为木星和其他气态行星的
绝大部分都是氢和氦
而太阳的绝大部分也是氢和氦
因此那些行星形成时
由氢和氦构成的原始星云必须还在
有两种方法能快速地
形成一个像木星这样的气态巨行星
我们尚不清楚木星究竟是如何形成的
但有两种主要的理论
一种是类似于太阳的形成过程
由原始星云直接引力坍塌
从外到内形成
迅速形成木星
另一种理论认为木星是从内到外形成的
如果木星是由气体塌缩而成
那么它将是从外部到中心都是气体
倘若第二种理论才是正确的
那么它会先形成一个
将近地球质量十倍的岩质核
然后再给它裹上一层气体
不管用什么办法 都必须要快
如果木星要如此迅速地形成一个重核
光靠尘埃是不够的
还需要另一种关键成分
冰
凯文·沃什是一位行星制造者
他的工作是建立理论模型
解释太阳系行星的形成过程
并让理论与观测得到的线索和证据符合
我认为木星形成最有可能的方式是
先形成一个固态物质的核
然后再把气体吸引到这个核上
无论木星是以哪种方式形成的
凯文·沃什博士 博尔德西南研究中心
是直接由气体聚集而成
还是先形成岩质核
都必须在400到500万年之间完成
因为之后太阳周围盘上的气体会消失
这比由尘埃形成一颗岩质行星
所需时间要短得多
然而木星有额外的冰质成分来帮忙
所以 我们认为
让木星和土星比起岩质行星
形成速度更快的关键
是因为它们形成时离太阳距离更远
太阳周围气体中的水可以凝结
进而形成冰 增加物质的密度
并提供更多的物质
以更快地形成一个更大 固态物质更多的核心
这就可以解释木星快速形成岩质核心的原因
但是这不能解释它形成的地点
它完全有理由
形成于冰最多的地带
译者注 ice line在英文中也称snow line 指从原始太阳的中心向外起算的一个特定距离 从此之外温度足够低 水可以凝结成冰 中文习惯译为"雪线"
我们称之为雪线
但是这不是如今木星所在的位置
现在当我们观测我们的太阳系
观测木星时
它离雪线有一段距离
然而我们认为如果木星恰好在雪线形成
对它是最有利的
这产生了很多疑点
如果木星是由气体云坍塌而成的
它就应该比现在的位置更遥远
另一个方面来说 如果它是由岩质核形成的
它就应该离太阳更近
但是它不在任何一个位置
所以最大的问题就是
木星是否处在一个错误的地点
不久之前 提出这个问题还会被认为是异端
使用科罗拉多州丹佛市古老的钱柏林望远镜
凯文·沃什正在追随
几位著名天文学家的足迹
他更仔细地观察了木星
你可以通过肉眼看到木星
但是用这样的望远镜观测它
会更有趣
色带会更加清晰明显
木星的卫星也十分明亮
一切都栩栩如生
当你用望远镜观测时 它们才像是真正的行星
伽利略是一个将望远镜指向木星的天文学家
时间是四百多年前
从没有人质疑过 木星从过去开始
到遥远的将来 都会处在同一条轨道上
如今的木星
和当初伽利略所看到的木星还是同样的
在这架先进的望远镜下 木星会更大更明亮
但还是同一颗木星
如果我明晚再来观测 看到的还是一模一样
所以普遍认为
我们现在观测到的行星 是一直不会变化的
它们为什么要变化呢
这是我们认为行星轨道是固定的
这一观点的基础
当三十五年前
当天文学家试图解释太阳系是如何形成时
第一个奇怪的现象出现了
他们得出的结果总是非常奇怪
一些计算结果显示像木星这么大的行星
它们的轨道是可以改变的
这个结果太过离奇所以就被忽略了
如果你想建立一个模型用来理解
早期的太阳系的情况
而你的模型显示
行星可能发生迁移
木星可以移动
那就说明你可能有错误
总而言之行星的迁移 是没有可能的
看上去就违背常理
但是在1995年
天文学家不得不接受这件不可能的事
当神奇的证据在不可思议的地方出现后
这一谜题逐渐被解开
天文学家克里斯·华生
正在搜寻银河系中最奇异的地方
他是行星猎手
越来越多天文学家在寻找系外行星
他就是其中之一
系外行星是围绕其他恒星运行的行星
这是天文学中炙手可热的一个领域
直到现在 或者说直到近几年
我们只有一个行星系统
克里斯托弗·华生博士 贝尔法斯特女王大学
可以被我们所研究 那就是太阳系
围绕太阳运行的行星
我们的银河中有大约一千亿颗恒星
而整个宇宙有大约一千亿个星系
但我们只能研究其中一个
但是对行星和行星系统的研究
随着1995年的一个惊人发现成为了热门
即发现一个围绕其他恒星运行的行星
不到二十年前 我们第一次发现另一颗行星
绕着像太阳一样的恒星运行
这是一个巨大的突破
如今我们找到了一千多颗行星
奇怪的是
它们和太阳系完全不一样
在某些方面 我认为科学事实
有时候比科幻作品离奇得多
人们所发现的行星
远远超乎他们想象
我们找到了绕着双星系统运行的行星
即是两颗恒星互相绕行的系统
天行者家族的故乡行星
有点像星球大战里的塔图因
如果这里有可居住的行星
那就更加不可思议了
你可以想象
所以事物都会有两个影子
天空中也会有两个太阳
至今没有找到和地球有半点相似的行星
最近 一颗比地球大一点的行星被发现了
但是它离中心恒星过于接近
它可能是岩质行星 但是温度太高
甚至可能是熔化状态的
它可能是由这些组成 但是以岩浆形态出现
最大的谜团就是其中的巨行星
过于奇妙甚至于难以置信
在我们发现这些行星时 最奇妙的部分
就是它们如此巨大
是与木星相似的气体巨星
但是它们与中心恒星的距离更近
木星运行在太阳系寒冷的外围
绕行一圈需要十二年的时间
但是这些系外行星在恒星附近被发现
有极高的温度
绕行轨道一周只需要惊人的短短几天
我们给它们起了个昵称 "热木星"
它们直面着炽热的恒星
令人吃惊 它们的确
那时我们想 "它们是怎么到达那里的"
"它们不该属于那里"
其他的科学家在想 "你真是疯了"
"这些热木星不应该离恒星那么近"
每个人都对热木星的存在困惑不已
简单地说 这是一些不该存在的行星
理论上 唯一可能形成这些气态行星的地方
是在一个远离恒星并十分寒冷的地方
因为这是唯一一个
有行星形成的必要物质的地方
现在我手里拿的是一块干冰
这代表了像木星一样的行星
形成时的必要材料
现在没问题 它在这里很正常
远离那个代表太阳的火堆
或者其他行星形成时所围绕着的恒星
但是当我将它接近火的时候会发生什么
离恒星太近以至于干冰变成了气体
没有冰 也就无法形成气态行星
几分钟过后只剩下了一点点
这说明
气态行星无法在离恒星这么近的地方形成
原材料无法存在于离恒星这么近的地方
它们需要在更远的地方
有原材料的地方才能形成
如果这些热木星无法在发现它们的地方形成
这只意味着一件事
所以我们认为 事实上
这些在气态行星首先在距恒星更远的地方形成
然后逐渐接近恒星
实际上 它们不断向内迁移
行星在不断移动
行星会改变轨道这一发现
令人震惊
它彻底改变了行星科学的发展
木星大小的行星
在行星系统里任意移动的后果
可能是毁灭性的
近年来 寻找系外行星的项目猛增
我们现在位于海拔近2400米的
拉帕尔马的火山岛
眼前的是几架
天文望远镜
我们将要使用
其中一台望远镜
观测行星绕恒星运行的过程
这片云雾可能是个麻烦
通常云雾不会这么多
只是现在是深冬
云雾多也是正常天气
20年前 这些望远镜盯着的总是恒星
现在 它们给予行星越来越多的关注
这儿有不少天文望远镜
可能每晚都会进行一些
和系外行星有关的项目
这是天文学蓬勃发展 而且成果不断的领域
要是今晚天气清朗
克里斯会将他的望远镜对向
一颗名叫WASP-84 b的系外行星
这些云雾会散去的
但即使有澄澈的夜空
发现系外行星也绝非易事
从地球观测
太阳系内的其他行星很简单
这支蜡烛代表太阳
我每放下一颗石子代表一颗行星
你能清楚的看到它反射的太阳光
但即使是最近的恒星距离都极远
其行星的反射光会彻底消失
现在假设这有一颗恒星 距离很远
放下行星
虽然它仍然会反射恒星光
但因为你离得太远
它的反射光已经完全
淹没在恒星自身的强光中
由于观测行星很困难
天文学家找到了其他替代的方法
最好的方法之一是长时间观察
行星是否会运行到恒星之前
假设我们身处太阳系外
反观太阳系
设法成功观测到木星凌日
我们会观测到日光减弱1%
对于体积小很多的行星 如地球
减弱的部分会少很多 微乎其微
这就是为什么发现它们那么难
但技术已经大幅度进步
如今 对于克里斯·华生这样的天文学家
寻找行星只是夜晚工作的一部分
这是我们的望远镜
伽里略国家望远镜
它是我们今晚的主角
壮美的天空逐渐清朗
我想今晚观测条件应该很好
借助这样的地基望远镜
以及太空望远镜 如美国宇航局的开普勒
我们已经发现了几千个系外行星
不仅仅有行星 还有完整的行星系统
这是开普勒行星系统图
它展示了行星的大小和轨道
候选行星 需要用其他观测方式再次观测 才能确定的行星
它们是开普勒太空计划的候选行星
它们都是掩食行星
它们与我们预期的并不太像
上面最左边
可以看到我们太阳系
最内部的四颗行星的轨道
从水星到火星
你会发现不同行星系统之间
巨大的差异
每一套环都表示一个不同的行星系统
每个光斑代表了行星不同的
大小和轨道
它们打破了现有的所有规则
反而显得我们格格不入
这是气态巨行星
可以看出它的周期很短
非常不同的恒星系统
它们和太阳系一点都不像
有些行星的轨道周期
只有几小时
有的系统有几颗行星绕恒星旋转
那个好特别 是怎么回事
谁又能预测我们会在
缤纷多样的行星里发现什么
真是有点可笑
到底发生了什么
奇特的世界
有的行星可能存在生命
我们对系外世界的探索
才刚刚开始
但已经揭开了一些奇妙的秘密
今晚 克里斯及其团队在设置望远镜
观测一颗已知有热木星环绕的恒星
他们希望能了解
气态巨行星迁移有多么大的破坏力
我们观测的这颗恒星 WASP-84
它有一颗已知的掩食行星绕它旋转
就目前所知 那颗掩食行星
重量比木星稍微轻一点
并且已知它的轨道周期
它的一年大约是八天半
我们将观测它掩食的过程
木星大小的行星
以八天的周期环绕恒星运行
已经很奇妙了
但太阳系外的世界里
还有比它更奇妙的
我们总是设想行星和恒星
旋转方向相同
但我们发现不少系统不是这样
其中有些行星完全逆向而行
如果恒星是顺时针旋转
行星就逆时针旋转
一颗逆向旋转的行星
说明发生了真正灾难性的事件
今晚 当它通过恒星前时
克里斯就可以分析WASP-84 b的轨道了
这些观测的目的是
判断它是否是一个共向的系统
它会像太阳系里的行星一样
恒星的自转方向与行星的公转方向相同
或者会发现剧烈相互作用的
确凿证据
相互作用会将行星
推入一个奇怪的轨道
"躺"在轨道上旋转
或者行星旋转方向
与恒星的旋转方向完全相反
但重要的问题是
是什么引起了行星间的大骚乱
在整晚观测了这颗掩食行星后
克里斯对行星WASP-84 b有了结论
掩食过程结束了 我们扫了一眼数据
结果有点让人吃惊
我们以为这个行星系统不是共向的
但在看了数据之后发现
它其实是相同的
行星WASP-84 b与恒星旋转方向相同
但克里斯已经发现许多热木星
是完全逆向运行的
它是迁移过程引起混乱的证据
看着这些奇怪的轨道
会觉得它经历过剧烈的变化
拿一个行星
扔到不同的轨道
变化会很剧烈
最简单的方法是来一次正面碰撞
两颗行星 它们会相互作用
弹走一颗行星
另一颗就可以被抛到得离恒星很近的地方
这些气态巨行星就像游乐场的恶霸
它们有能力把其他行星扔来扔去
这就像一场宇宙里的弹球赛
像木星这样的怪兽非常巨大
它们可以把整个行星从行星系统中抛射出去
可以把行星激发到疯狂的极轨道上
它们甚至有能力摧毁整个星球
一颗拥有木星质量和大小的行星
毫无疑问统治着行星系统
而且它还有能力
决定其它行星的命运
我们应该为太阳系里没有热木星而高兴
否则就看不到这美景了
我们已经发现了经历过行星迁移的系统
热木星就是始作俑者
但我们的太阳系呢
看起来我们的行星
运行在固定不变的轨道上
地球与太阳保持相同的距离
已经有四十五亿年了
有足够长的时间创造大气层
形成山脉
让生命演化
但是来自其他行星系统的证据
却让我们重新思考我们的行星如何形成
以及在哪里形成
当我们开始在其它恒星周围寻找行星
结果在很多意外的地方发现了行星
一些我们原以为不可能形成行星的地方
这就逼着我们重新思考
"哇 行星可以移动啊"
"行星真的可以移动 说不定这里就发生过"
这是巨大的一步 而为了跨出这一步
并且承认太阳系曾经非常不稳定
完全处在混乱状态 这可是很难想象的
但这是我们必须跨出的一步
那些看似疯狂 指出木星轨道可能改变的结果
到头来可能是对的
或者说 迁移有可能是解决我们太阳系
如何形成今天这个样子的关键
我们通过观察其他恒星周围的行星
才开始理解的行星迁移理论
促使我们意识到行星迁移
对太阳系形成和演化有多么的重要
而最重要的就是巨大的木星
我们的行星系统中 木星当然是关键
它比地球的质量要大上三百多倍
所以木星赢了
木星决定着要发生什么
最终的真相是行星会改变轨道
如果这能在系外行星系统中发生
就能在我们这里发生
如果我们要做一个解释太阳系
如何形成的模型
我们就要打破所有限制 给予行星自由
一旦我们接受行星可以移动这个观念
我们就可以试着解释
太阳系中的某些未解之谜了
例如 火星为什么如此之小
还有小行星带奇妙的成分
凯文·沃什发展出一套太阳系早期模型
这个模型允许行星跳一支狂野之舞
这支舞既复杂又混乱
如果舞步稍稍出了一点偏差
成长期内的太阳系可能就面目全非了
在他的模型中 木星会在太阳系里兜一圈风
而这刚好就把我们带回了
木星刚从气体云中诞生的时刻
关键就是 虽然木星巨大无比
质量甚至有地球的300多倍
但是跟太阳周围的气体盘相比还是小巫见大巫
所以这些气体就可以把木星推向太阳
自诞生始 木星就是开始向内迁移
在将近五十万年的时间里
木星螺旋运动靠近太阳
这条路本来会让它成为一颗热木星
形成木星这么大的行星
并让它被气体盘推着向里走的想法
还是挺有道理的
因为我们观测到了 还观测到很多次
但是某种力量阻止了木星撞向太阳
或者成为一颗热木星
所以如果木星形成之后开始向内迁移
那就一定有某种机制让它停住
并且把它重新带回了外太阳系
我们认为阻止木星向内迁移
阻止它一头扎进太阳的关键
就是土星的存在
当木星在太阳系内兜风的时候 土星诞生了
土星也在长大
它经历了和木星一样的成长过程
它积聚一个巨大的内核 越长越大
而当土星也长得足够大的时候
它也可以在气体盘上移动了
然后它也开始螺旋着朝太阳运动
随着土星向内冲 它慢慢跟木星靠近
当它们靠得足够近了
以至于它们进入了共振锁定
共振:指轨道周期为简单整数比 比如木星转两圈土星转一圈 或者木星三圈土星两圈 这时行星间的引力作用会非常强
它们的轨道周期呈简单整数比
而且引力相互作用也十分强
当它们二者挨得非常近的时候
这就成功阻止了木星向内迁移
这两颗行星好像在跳一支引力双人舞
当它们靠近时 木星改变了迁移方向
被弹到了外太阳系
就好像一艘船改变航向
之所以称之为"大转向模型"
是因为行星本来向内迁移
然后它们靠得很近 停了下来
然后一起调头向外走
就像一艘帆船在风中改变航向
木星在太阳系里兜风 可以解决两个关键谜团
第一 为什么火星如此之小
当木星向内迁移的时候
它像扫雪一样把遇到的所有岩质物质
推向太阳系内部
很多原有的尘埃和岩质残余物
本来可以形成火星
结果被推离了原来位置
所以木星向内迁移
并把沿途所有物质清空
实际上减少了
可以形成火星的物质总量
因此火星的形成过程一直缺少岩质物质
最后质量只有地球的十分之一
这解释了为什么火星看来像是侏儒行星
这个理论也解释了为什么小行星带中
冰环和岩石环靠得很近
在木星迁移的过程中
木星把沿途所有物质散射开
它把内太阳系的岩石抛向外侧
同时又把外侧的冰带向内侧
留下了今天两条差别明显的环带
因此在小行星带中很窄的一片区域里
我们会看到两种不同的物质
重叠在一起
因此木星在太阳系兜风 可以解决两个关键谜团
火星的大小和小行星带的组成
如果木星当时进一步向内迁移的话
地球可能就会变成一颗截然不同的行星了
但是太阳系的诞生之时
并不是它整个历史中仅有的混乱时期
大概在五亿年后 也就是四十亿年之前
太阳系进入了青少年期
充满了混乱 喧嚣和不确定因素
这个混乱的时期恰好又能解释
两个更神秘的谜团
月球上的陨坑
还有天王星与海王星的诞生
环顾太阳系 我们可以发现若干谜团
我们所见与理论并不相同
如果我们把构成天王星和海王星
哈尔·列维森博士 博尔德西南研究中心
所需要的冰物质
把它们放到外太阳系 并用计算机模拟
观察它们的成长过程
会发现它们根本就不能长大
在这些冰巨星几十亿公里之外
在月球上
有一个哈尔·列维森相信
可以解决谜团的线索
事实上 月球表面全都是证据
所以当你抬头看月亮的时候
有些巨大的陨坑和陨击盆地 比如这里和这里
都是在很短的时间内形成的
这段时期被我们称作晚期重轰炸
它大概开始于太阳系诞生五亿年后
当时所有的行星已经形成很久了
这时突然毫无预兆的
大块天体冲向月球 撞在上面
说明太阳系经历了非常混乱的时期
而想造成如此频繁的撞击
陨落如雨
唯一的途径就是行星轨道迁移
为了解释这样剧烈的撞击事件
哈尔和同事们设想了一个新模型
这个模型解释了为什么天王星和海王星
出现在不可能形成的地方
我们认为这两颗行星在更靠近太阳的地点形成
并被送到当前所在的位置
天王星和海王星一定是在离太阳更近的地点形成
因为那里才有足够的冰态原料
它们之外 是冰态类彗星天体组成的有序的盘
然而这样的系统并不稳定
一系列微小的变化即可导致一段彻底的混沌
这些小天体会从盘中跑出来
被这些大行星的引力散射
犹如到处滚动的台球一样
最终被木星散射到星际空间中
这样的过程会让行星轨道慢慢扩散开
我们认为木星和土星迁移到
当木星围绕太阳转两圈
土星正好绕太阳转一圈的地点
这会让它们之间的相互作用力变得更强
并导致木星和土星的轨道被激发
轨道变扁 而且倾斜
它们彼此纠缠在了一起
天王星和海王星
由于比木星和土星的个头小很多
受到木星和土星的拖拽
结果它们的轨道变得极其混乱
在这段突如其来的混沌中
天王星和海王星被抛到了今天的轨道上
这对冰态巨行星
散射到了原本在它们轨道之外的小天体盘中
接下来事态完全失控了
冰态小天体被散射得到处都是
一波又一波的冲向内太阳系
轰炸着地球和月球
那时几乎地球上的每寸土地都被撞击过
所以并不是个很安全的地方
之前大家一直以为太阳系会在
平静与祥和中有规律地运转
而这种新模型则彻底改变了以往的模式
因为它表明太阳系
并不是一个安全又宁静的好地方
而是个会经历多次剧烈变化的地方
在这样的新模型中 太阳系是混乱而多变的
这剧变的主要幕后推手
就是我们的游乐场恶霸 木星
事实上戴维· 内斯沃尔尼认为木星这个恶霸
是终极行星系统灾难的罪魁祸首
他用不同的初始条件
一遍又一遍地测试着新模型
我运行了大概三千到四千组不同的情况
戴维· 内斯沃尔尼博士 博尔德西南研究中心
初始状态各不相同
一度我考虑过标准理论模型
即假定外太阳系有四颗行星
他得到的结果非常惊人
哪怕只是稍许改变起始条件
都会导致最后的太阳系千差万别
在绝大部分的模拟中
木星像弹弓一样把天王星和海王星弹出太阳系
最终消失在茫茫星际空间中
可那样是不对的
明显和太阳系的现状不符合嘛
这时戴维有了一个突破性的想法
如果天王星和海王星没有被踢出太阳系
也许是其他行星被踢出去了
我实在是没法模拟出太阳系今天的样子
我思来想去然后忽然想到
"如果太阳系还有一颗行星会怎么样"
他开始研究是不是有可能
有一颗行星消失了
和先前一样 主要嫌犯还是木星
我把望远镜指向了木星
我能看到木星周围的盘
之后 共面的四颗大卫星
木星的影响力很大
在过去它的作用更显著
木星威力巨大
可以踢走太阳系中的整个行星
这就是太阳系
太阳在中心
往外首先是类地行星
其次是小行星带还有带外行星
若想得到这样的排列
戴维认为太阳系先前还有一颗冰态巨行星
但它被木星扔出太阳系了
我开始考虑
存在一颗额外行星的情况
我现在得到的最好结果是
当我在土星和天王星之间的某个地方
再放第三颗冰态巨行星时
由于行星之间的动力学不稳定
这颗额外的行星会非常地靠近木星和土星
结果就是它被抛射出太阳系
这颗逃逸的行星是个替罪羊
因为它让我们免受被木星摧毁的命运
而且使行星能以现在的方式排列
那么消失的那颗孤独行星命运又将如何呢
在我的模拟当中
那颗行星以大概一千米每秒的速度
被驱逐出太阳系了
而那是四十亿年前的事 算算看
它最终会消失在距离太阳系很远的地方
如今它早已消失在银河系的某一角落了
二十年前 太阳系的奥秘逐渐被揭开
行星在固定轨道上运行的传统想法
已被系外行星粉碎了
我们开始重新理解
混乱纷繁的过去
当然我们也会疑惑
这一切是否会截然不同呢
当然 太阳系很可能会是另一番景象
它也许会朝着不同的方向演化
如今我们的太阳系
就是种种不可能或随机事件的结果
那也恰恰让我们变得独一无二
让行星最终稳定下来是非常侥幸的
就像掷骰子一样偶然
太阳系居然成功地做到了
在太阳系形成之初
地球并不是现在我们所见的模样
需要一系列的事件让这颗岩质行星
具有恰好的大小 合适的位置和适量的水
成为适宜人类居住的地球
包括地球在内 太阳系所有带内行星的命运
都完全受气态巨行星木星的制约
倘若木星的轨道有所不同
如果木星移动到了内太阳系
那地球就不大可能待在这里了
在迄今为止所发现的行星系统中
我们太阳系貌似是唯一的幸运儿
换个角度想 或许我们的太阳系
才是奇怪的
我们原以为奇怪的行星系统
反而是正常的
如果我们真是如此特殊
那么到底有没有可能在宇宙的另一个角落
发现另一种生命呢
尽管我们的太阳系是 怎么说呢
是百万中挑一的
也许这概率看起来很小
可银河系有一千亿颗恒星
就算是像太阳系一样神奇的系统
也可能有很多