浙江新聞客戶端 記者 何冬健 通訊員 柯溢能
太陽系 圖源視覺中國
太陽系是如何誕生的？
如果要追問這個問題，那就得跨過人類文明、地球生命，一路追溯到太陽、地球、各個行星、小行星、彗星……
浙江大學物理學院劉倍貝研究員與法國波爾多大學雷蒙德教授、美國密歇根州立大學雅格布森教授通過研究太陽系行星家族中的大兄長——木星、土星、海王星、天王星等巨行星，從它們的動力學變遷求索太陽系的演化歷程、理解太陽系成長和行星生命的孕育。
4月27日晚，國際頂級期刊《自然》刊載了他們共同提出的早期太陽系巨行星軌道演化的新模型，以簡潔優美的語句和圖示，闡釋了我們的太陽系是如何一步步成為今天模樣的。
借助科學家的遼遠視野，讓我們一起走進一場波瀾壯闊的星際穿梭之旅。
劉倍貝（左一）指導學生學習天文理論 盧紹慶 攝
今與昔
巨行星軌道有何不同？
“謂我是方朔，人間落歲星”，一千多年前，太白居士舉杯對月，在漫天繁星中精準地找到了這顆太陽系中體積最大的行星——歲星。
古人口中的歲星，取其繞行“天球”一周約為12年，與地支相同之故。到了西漢時期，史學家司馬遷從實際觀測發現歲星呈青色，在《史記·天官書》中，他將其與五行學說聯系在一起，于是“木星”便成了它的另一稱謂。
在劉倍貝位于浙江大學玉泉校區的辦公室里，掛著一張簡潔的太陽系行星圖，這位青年學者每天都要站在這張圖前，觀摩思考一番。水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，太陽系的八顆行星在各自的軌道上周而復始地自轉與公轉。如此奇妙的現象是怎么形成的？僅是這么一個疑惑，便困擾了人類千百年之久。
“今天我們所見太陽系的行星軌道，與它的‘童年’時期有很大不同。”與劉倍貝初見面，他便開門見山，切入正題。
盡管科學家也無法時間旅行，回到太陽系原初狀態看個究竟，但宇宙之大，處于不同演化階段的恒星系一個都不少——通過觀測，學界普遍認為，大約在距今46億年前，我們的太陽系還是一片隨機的氣體和塵埃，它們像星云一樣漂浮著。當它坍縮后,中心氣體形成原初太陽，殘余物質繞中心旋轉形成一個扁平的圓盤。該圓盤被稱為原行星盤，是孕育行星的搖籃。
劉倍貝要推演的歷史，便處于這段時期，即童年期的太陽系，又叫“氣體盤”時期。行星成長在行星盤內，與盤中氣體相互作用，軌道逐漸變得像一個圓圈，并向內遷移。木星、土星、天王星、海王星等太陽系四大巨行星通過遷移進入軌道共振態，具體表現為相鄰行星的公轉周期呈現出一個整數比。
然而他發現，現今四大巨行星的軌道分布更為開闊，如木星距離太陽5.2個天文單位（指地球與太陽的平均距離，約1.5億公里）,海王星則有30.1個天文單位這么遠。四大巨行星之間周期比遠大于常見整數比，這就意味著當前巨行星已脫離了原有的共振態。
“想象一座車輛正常流通的高架橋，如果有車輛發生碰撞追尾，整個行車的秩序就會被打亂。”劉倍貝認為巨行星的軌道演化成今天的模樣，可能經歷了動力學劇變的緣故。
他告訴記者，當兩顆行星距離相對較遠時，由于它們只受到微小的引力擾動，軌道處于穩定狀態；如果軌道很近甚至交匯時，強大的引力擾動極有可能打破了行星之間的引力平衡，造成動力學不穩定現象，使其脫離原有的共振態。
早或晚
巨行星軌道何時遷移？
一個剛形成的行星，就像海洋中的一個救生筏，可以遠遠漂離其起點。一旦一顆行星增長到足夠大，它的引力效應就可以通過周圍的盤傳播，激發起螺旋波，而螺旋波本身的引力效應作用于行星和盤，會產生強有力的反饋作用。相應地，動量和能量會發生交換，促使年輕的行星在其出生的原行星盤中開始一段史詩般的旅程。
這是尼斯模型——當前描述太陽系巨行星演化最流行的理論之中的猜想，因模型創立者來自于法國尼斯的蔚藍海岸天文臺而得名。模型認為，軌道不穩定發生在太陽系誕生數億年之后，那時，原行星盤氣體耗散，巨行星與外部的星子盤（由直徑為數公里到上百公里的星子組成）相互作用不斷交換軌道能量，最終使得行星擺脫共振束縛并引發動力學不穩定。
因為巨行星與遙遠星子交換能量的過程十分緩慢，尼斯模型認為軌道不穩定一般發生在太陽系誕生數億年之后。因此它能較好地解釋為什么小行星頻繁撞擊沒有發生在太陽系誕生早期。
在此研究的基礎上，劉倍貝指出，前人的研究忽略了氣體盤耗散過程行星受到氣體的作用力反向，“好比是打羽毛球，球體接觸到網面，會因為反作用力彈回，隨著拍面一起向外運動，太陽系行星軌道的形成過程也是如此。”
在他和團隊的模型中，氣體盤演化的晚期，太陽輻射的高能光子直射行星盤，形成的強勁光壓首先吹散了靠近太陽的氣體，行星盤內部出現了中空的結構。后續光壓由內向外逐步驅散盤中剩余氣體，行星盤質量伴隨著盤內邊界向外擴張而減小。這個過程的太陽就好比一個巨型吹風機，不斷“吹”走盤中的氣體，使其中空結構不斷變大。
研究發現，巨行星與氣體相互作用首先向內遷移至盤內邊界。由于內邊界處氣體的快速耗散，行星受到向外的氣體作用力，與行星在一般盤情況下受到向內的力不同。當氣體盤內邊界由太陽這個“吹風機”不斷向外擴張，行星可以隨之共同向外遷移。因為太陽系巨行星質量的不同，他們向外遷移速率不同，從而可以打破原軌道共振態并引發系統動力學不穩定。
通過計算，團隊還推測在星際空間深處的某個地方，在遠離太陽的無盡黑暗之中，有一顆孤獨的行星正在銀河系中流浪。質量與海王星相當，擁有大氣，富含冰，這顆自由運行的行星不受制于任何一顆恒星，漂泊在永恒的黑夜之中。
“太陽系中可能曾經有過第五顆巨行星，原初四大巨星與另一顆冰巨星共同運動。在氣體盤耗散時，它們經歷了大幅度軌道動蕩，冰巨星與木星的近碰后被甩出了太陽系。”劉倍貝說，這樣達到穩定的四大巨行星最終的軌道分布才會與現今觀測吻合。
“我們的研究表明，巨行星軌道的遷移往往緊隨著氣體盤耗散，在太陽系誕生后約五百萬到一千萬年間發生，比尼斯模型推測發生的時間要更早。”他說。
月球表面
月球和地球
來自太陽系其他天體的證據
巨行星軌道演化對包括地球在內的其他行星、衛星和小天體的演化，地球生命的起源、宜居特性等多方面影響深遠。劉倍貝團隊提出的新模型推演太陽系的“童年”，最明顯的就是其動力學不穩定發生的時間非常早，這就需要在宇宙中尋找它的蛛絲馬跡。
“我們能從月球隕石坑的年齡找到新的佐證。”劉倍貝介紹，巨行星動力學不穩定會打破太陽系原有的平靜，它們強大的引力擾動迫使周圍小天體不斷撞向其他行星和衛星，并在星體表面留下隕石坑。月球沒有大氣和頻繁的地質活動，自其誕生以來一直保留著原始隕石的撞擊。我們從月球隕石坑的年齡、大小、密度可以反演發生在月球上的小行星撞擊事件。“月球隕石坑有著廣泛的年齡分布，小行星撞擊事件隨時間自然衰減，這也與我們團隊提出的早期不穩定模型研究更自洽。”他說。
此外，類地行星的軌道也支持劉倍貝團隊的新模型。根據觀測，原始地球形成于原行星盤階段，在太陽系誕生后3000萬至1億年間最終長成。如果不穩定發生在地球完全形成之前，巨行星軌道動蕩有概率觸發大碰撞事件，誘發原始地球與一個火星大小的天體相撞，逐漸形成現今的地月系統。“早期動力學不穩定更符合來自太陽系其他天體關于小行星撞擊時間的記錄。新模型也可以更好地解釋后續形成的類地行星的質量和軌道構型，這些均為其有別于尼斯模型的優點。”劉倍貝說。
劉倍貝表示，未來團隊會進一步探究巨行星軌道演化對類地行星的影響，如量化類地行星的形成概率，小天體撞擊對地球水起源等問題。記者了解到，浙大物理學院目前有多名和他一樣的天文方向的教師，學校未來也計劃大力發展天文學科，籌建天文系。
【浙江新聞+】
4月22日，在國際知名期刊《科學進展》上，劉倍貝與丹麥哥本哈根大學和瑞典隆德大學的學者合作，從隕石同位素含量兩極化的現象入手，推演了太陽系形成最初的五百萬年間發生的故事。他們指出，原行星盤氣體的外流是一雙“看不見的手”，它參與了早期太陽系的塑造，影響了小天體和行星的形成。
劉倍貝團隊認為：在太陽系誕生之際，原行星盤內的固體顆粒物分布呈現較為明顯的兩極化，靠近太陽的位置內盤以非炭質固體顆粒為主；遠離太陽的外盤以炭質為主。在外盤的固體顆粒流入內盤之前，內盤非炭隕石（包括無球粒隕石，普通球粒隕石和頑火輝石球粒隕石）的母體們靠吸積耐火物質而形成；與此同時，外盤的炭質球粒隕石母體吸積炭質顆粒物逐漸長大。在約兩至三百萬年之后，炭質顆粒物最終遷移進入內盤。
