太陽系兩顆“超級地球”消失之謎

新研究表明，太陽系誕生后的一億年里，足足有六顆巨型行星圍著它轉。也就是說，早期外太陽系的天體分布遠比我們之前設想的更為密集。

如今太陽系僅擁有四顆巨行星，而其誕生初期會比現在多出一到兩顆。圖源：Silicon Worlds

新研究指出，太陽系八大行星及其數百顆衛星的軌道特征仍有諸多疑點難以解釋。

研究團隊模擬推演了早期太陽系的演化過程，共計完成百余組模擬實驗。結果顯示，外太陽系中曾存在另外兩顆巨行星。它們一度在星際間四處運行，改變了其他行星的軌道，但最終被甩出太陽系，進入星際空間。

幼年時期的太陽系結構并不穩定。曾經有一段名為“巨行星不穩定期”（giant planet instability）的重組過程給太陽系來了個大洗牌，讓木星、土星、天王星和海王星偏離了原始軌道，逐漸移動到離太陽更遠的位置。

這套行星遷移理論便是著名的“尼斯模型”，由法國尼斯的多名天文學家于2005年首次提出。這種行星遷徙現象大概率是由巨行星與星子（行星形成后殘留的原始天體碎片）的引力相互作用觸發。2011年，學界又對該模型做出補充，提出太陽系曾存在第五顆巨行星，該天體最終因鄰近行星的引力作用離開了太陽系。

不過，天文學家對這顆消失的行星知之甚少。本研究第一作者、約翰斯?霍普金斯大學應用物理實驗室的科研人員馬修?克萊門特（Matthew Clement）在接受采訪時表示，為進一步探尋真相，本次研究“系統分析了巨行星近距離交會對其衛星軌道穩定性的影響”。

重現宇宙演化歷程

研究人員借助計算機模型模擬早期外太陽系的狀態，每組模型都追蹤了2000萬年間各大巨行星與上千顆星子的運行軌跡。最終，他們從一個包含十萬組模擬數據的資料庫中篩選出122組結果，它們最終形成的天體布局與如今太陽系巨行星的分布大體相近。其中約五分之二的模擬設定初始狀態為五顆巨行星，其余則設定為六顆。克萊門特指出，隨后團隊在保留所有巨行星衛星的前提下，重新推演了天體交會的全過程。

木星及其最大的四顆衛星。從上至下依次為：木衛一、木衛二、木衛三、木衛四。圖源：美國航天局 / 噴氣推進實驗室等

模擬結果顯示，這一顆或兩顆未知巨行星在各大天體之間不斷穿梭碰撞，最終被徹底拋出太陽系。該研究還得出了一個出乎意料的結論：在設定存在兩顆額外冰巨行星的模擬場景中，木星的衛星軌跡大多能保持穩定；而僅存在一顆額外巨行星時，天王星的衛星體系更為穩固。也就是說，木星和天王星的衛星群，似乎是在兩次不同的天體動蕩中得以留存。

科學家介紹，木星的三顆大型衛星木衛一、木衛二與木衛三，如今維持著1:2:4的運轉周期比例：木衛一繞木星公轉四周時，木衛二公轉兩周，木衛三恰好公轉一周。研究人員認為，這般精妙平衡的運行狀態，說明木星衛星自形成后基本未受擾動，這也側面印證了太陽系早期曾存在兩顆額外冰巨行星的觀點。

行星間的引力拉鋸戰

研究推測，這些額外的行星在氣態巨行星與天王星之間來回運動時，打破了天王星衛星群的運行平衡，引發衛星相互碰撞。撞擊導致部分衛星碎裂，冰等易揮發物質隨之汽化，之后又重新凝結堆積在星體殘骸之上。這一現象或許能解釋，為何天衛五冰層占比要比天王星的其他衛星高出五成。

不過這并非唯一可能性。有兩組模擬場景演化出了和現代太陽系相似的格局，且當中僅出現一顆未知冰巨行星。這兩次模擬中，木星與天王星的衛星都得以安然度過同一次行星大洗牌。因此研究人員表示，還需要開展更多模擬實驗，才能確定太陽系早期究竟多出一顆還是兩顆冰巨行星。

目前，人們僅能推斷出這些未知行星的質量，其余信息都無從考證。在五顆巨行星的模擬場景中，那顆未知行星的質量與海王星相近；而在六顆巨行星的模擬中，那兩顆行星的質量介于地球與海王星之間，屬于 “超級地球”。

亞利桑那州圖森市行星科學研究所資深科學家、論文合著者內森?凱布（Nathan Kaib）表示：“既然這些未知行星的質量和天王星、海王星相差不大，它們的物理特征大概率也與這兩顆行星相似。”

克萊門特稱，研究團隊暫無計劃專門搜尋這些遠走高飛的行星，但會持續研究天王星的衛星，尋找星體曾遭受干擾的痕跡，同時探究衛星軌道發生變動后會引發什么樣的變化。

美人魚星云超新星遺跡 | 圖片來源：NASA

來源：牧夫天文

編輯：ThymolBlue

轉載內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場

如需轉載請聯系原公眾號