新研究揭示太阳系开始时的不稳定性对神秘“9号行星”的影响

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这些发现对像地球这样的陆地行星如何发展以及第五颗气体巨行星潜伏在500亿英里之外的可能性产生了影响。

来自自然科学学院地球和环境科学系的助理教授Jacobson说道：“我们的太阳系并不总是看起来像今天这样。在其历史上，行星的轨道已经发生了根本性的变化。但我们可以弄清楚发生了什么。”

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一个不错的模型

巨大的、旋转的宇宙气体和尘埃云诞生了恒星。当我们的太阳点燃时，早期的太阳系仍充满了原始的气体盘，它在包括气态巨行星在内的行星的形成和演变中发挥了重要作用。

在20世纪末，科学家们开始相信，气体巨行星最初是以整齐、紧凑、均匀间隔的轨道绕着太阳运行。然而木星、土星和其他的行星却早已沉淀为相对长方形、错位和分散的轨道。

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所以现在研究人员的问题是为什么？

2005年，一个国际科学家小组在《自然》的三篇里程碑式的论文中提出了这个问题的答案。该解决方案最初是在法国尼斯提出的，被称为尼斯模型。它假设这些行星之间存在着不稳定性，一组混乱的引力相互作用进而最终使它们走上了目前的道路。

Jacobson说道：“这是人们对早期太阳系思考方式的一次构造性转变。”

虽然尼斯模型仍是一个领先的解释，但在过去的17年里，科学家们发现了新的问题--什么引发了尼斯模型的不稳定性。

比如人们最初认为气态巨头不稳定发生在孕育太阳系的那个原始气体盘散开后的数亿年。但较新的证据表明它发生得更快。这也提出了关于作为地球家园的太阳系内部如何演变的新问题。

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Jacobson跟中国浙江大学的Beibei Liu和法国波尔多大学的Sean Raymond合作以帮助找到了一个跟不稳定如何开始有关的解决方案。该团队提出了一个新的触发器。

“我认为我们的新想法可以真正放松该领域的许多紧张局势，因为我们提出的是一个非常自然的答案，即巨行星的不稳定性是何时发生的，”Jacobson说道。

新触发器

这个想法始于Raymond和Jacobsen在2019年的一次谈话。他们的理论是，气体巨行星可能是因为原始气体盘的蒸发方式而被设定在它们目前的路径上。这可以解释这些行星是如何在太阳系演化过程中比尼斯模型最初假设的时间更早地扩散开来的，甚至可能没有不稳定因素把它们推向那里。

Raymond表示：“我们想知道尼斯模型是否真的有必要解释太阳系。我们提出了这样一个想法，即巨行星可能会在圆盘消散时通过‘反弹’效应扩散出去，也许从来没有出现过不稳定。”

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Raymond和Jacobsen随后联系了Liu，后者通过对气体盘和大型系外行星--其他太阳系中的行星--靠近其恒星运行的广泛模拟率先提出了这种反弹效应的想法。

Liu指出：“我们太阳系的情况略有不同，因为木星、土星、天王星和海王星都分布在更宽的轨道上。经过几次反复的头脑风暴，我们意识到，如果气体盘从内向外消散，这个问题就可以得到解决。”

Raymond称，研究小组发现，这种由内向外的耗散为尼斯模型的不稳定性提供了一个自然的触发因素。“我们最终加强了尼斯模型，而不是破坏了它。这是一个有趣的例子，说明了测试我们的先入为主的想法并跟随结果，无论它们指向哪里。”

有了新触发器，不稳定期开始时的画面看起来是一样的。目前仍有一个新生的太阳被气体和尘埃云包围着。少数年轻的气体巨头则围绕着恒星并以整齐、紧凑的轨道穿过那片云。

“所有的太阳系都是在气体和尘埃盘中形成的。这是恒星如何形成的一个自然副产品，”Jacobson说道，“但当太阳开启并开始燃烧它的核燃料时，它产生了太阳光、加热了圆盘并最终将它从里到外吹走。”

这在以太阳为中心的气体云中产生了一个不断增长的洞。随着这个洞的增长，其边缘扫过每一个气体巨头的轨道。根据研究小组的计算机模拟，这种转变导致了必要的巨行星不稳定性，且概率非常高。跟尼斯模型最初的数亿年的时间线相比，这些大行星转移到它们当前轨道的过程也进展迅速。

另外，新的触发因素还引发了外太阳系和内太阳系的物质混合。地球的地球化学表明，这样的混合需要在我们的星球还在形成过程中发生。

“这个过程真的会搅动内太阳系，地球可以从中成长，”Jacobson说道，“这跟观察结果相当一致。探索不稳定性和地球形成之间的联系是该小组未来工作的一个主题。”

最后，该小组的新解释还适用于我们星系中的其他太阳系，在那里，科学家们已经观察到气体巨头以类似于我们在自己星系中看到的配置围绕着它们的恒星运行。

来自外太空的9号行星

虽然该团队的论文没有强调这一点，但Jacobson指出，这项工作对有关我们太阳系的最流行和偶尔激烈的争论之一--到底又多少颗行星--有影响。

目前，答案是八颗，但事实证明，当早期太阳系有五颗气态巨行星而不是四颗时，尼斯模型的效果略好。可悲的是，根据该模型，那颗额外的行星在不稳定时期被锤子从我们的太阳系扔了出去。

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然而在2015年，加州理工学院的研究人员发现了可能还有一颗未被发现的行星在太阳系外围的工具的证据。这颗行星距离太阳大概约有500亿英里，比海王星远约470亿英里。

不过目前仍没有具体的证据表明这颗假设的行星--9号行星--或尼斯模型的“额外”行星确实存在。但如果它们真的存在，它们会不会是同一个？

Jacobson和他的同事们虽然无法用他们的模拟直接回答这个问题，但他们可以做下一个最好的事情--知道他们的不稳定性触发器正确地再现了我们太阳系目前的情况，他们可以测试他们的模型是否从四个或五个气态巨行星开始效果更好。