科技日报：太阳系为何如此与众不同

早在水星、金星、地球和火星形成之前，太阳系中可能就有许多超级类地行星，比地球大，但比海王星小。如果是这样的话，它们早就消失了——几十亿年前就被太阳打碎并吞噬了。这主要是因为在太阳系的早期历史中，木星曾经做过向内迁移和向外迁移的“大转变”。

发表在《美国国家科学院院刊》网站上的一篇研究论文表明，木星像滚球一样扫过早期太阳系，在返回当前轨道之前摧毁了第一代系统内行星。近年来，天文学家已经发现了数百个系外行星系统。与他们相比，我们的太阳系是如此不同。

不同的太阳系

“目前，我们可以在天空背景中看到我们的太阳系和许多其他行星系统。该论文的合著者、加州大学圣克鲁斯分校天文学和天体物理学教授格雷戈里·拉夫林说:“最有趣的特征之一是水星轨道上没有行星。“在我们的银河系中，标准的行星系统就像一组超级地球。它们的轨道周期出奇地短。我们的太阳系越来越奇怪了。”

根据近年来对系外行星的研究，银河系中大约一半的类日恒星被行星围绕。“恒星猎人”项目已经探测到超过1000颗围绕外恒星运行的外行星，包括近500个有多颗行星的恒星系统。从这些观察中，科学家可以总结出一个“典型”的行星系统是什么样子:它由许多质量比地球大几倍的行星(超级地球)组成，它们围绕主星的轨道半径比水星和太阳之间的距离要近得多。在像木星这样有巨行星的系统中，那些巨行星也比我们太阳系中的巨行星更靠近它们的主星。

在太阳系中，水星的轨道上只有几个碎片，这可能是近地小行星进一步向内移动的结果，但绝对没有行星。我们的岩石行星质量更小，大气更稀薄，这与大多数其他恒星系统形成鲜明对比。

最近，加州理工学院的行星科学家康斯坦丁·巴蒂金和拉费林从以前的研究假设中吸取了教训，通过计算和模拟为早期的太阳系画出了一幅新的图画，这有助于回答关于当前太阳系和地球本身的许多突出的结构问题。例如，为什么太阳系会留下“开洞”？为什么地球和其他内部岩石行星比外部行星形成得晚？与其他恒星系统中的行星相比，为什么太阳系中的类地行星质量相对较小？

“事实上，在银河系的行星系统中，我们现在的太阳系似乎并不具有普遍的代表性。相反，我们是个例外，”巴蒂金说，“但没有理由相信太阳系没有遵循整个银河系的主要行星形成模式，更有可能的是，随后的变化改变了它的原始结构。”

古代木星的“大转折”

早在2001年，伦敦玛丽皇后大学的一个研究小组就提出了“大转折”假说，法国尼斯天文台的另一个研究小组在2011年再次提出了这一观点。根据这一假设描述的情景，在早期太阳系的前几百万年，建造行星的原始材料——小行星——被嵌入一个由气体和尘埃组成的厚吸积盘，围绕着相对年轻的太阳。木星的质量越来越大，它的引力影响也越来越大，为板块扫清了一条路。那时，太阳将气体从吸积盘拉向自身，木星开始向内漂移，就像在一条巨大的传送带上运行一样。

“如果没有土星，木星会一直在传送带上运行，最终会坠入太阳。”巴蒂金解释道。土星在木星之后形成，但是以更快的速度被拉向太阳，使得它能够赶上木星。一旦两颗巨大的行星足够接近，它们就形成一种固定的关系，称为轨道共振，因此它们的轨道周期是成比例的。例如，在2: 1轨道共振中，当土星绕太阳转两圈时，它只能转一圈。在这种关系中，两天会对彼此产生引力影响。

共振允许吸积盘上的两个行星打开一个共同的通道:它们开始玩这个游戏，互相交换角动量和能量，保持几乎相同的节奏巴蒂金说。最后，这种来回的相互作用耗尽了两者之间的所有气体，将它们从太阳系中的一个位置拉出来，这个位置是恒星逆行的方向。在“大转弯”描述的场景中，行星首先向内移动，然后戏剧性地改变它们的路线，就像一艘船绕过一个航标。

洛杉矶加利福尼亚大学的布拉德利·汉森(Bradley Hansen)开发了一个早期模型，在这个模型中，类地行星在一系列特定的环境条件下成功地停留在它们当前的轨道上，并具有当前的质量——一个条件是，在太阳形成1000万年后，构成太阳系内部行星的所有物质——小行星——碰巧“定居”在一个狭窄的环形区域，范围从0.7到1个天文单位(1个天文单位是平均每天的距离)。

根据“大转弯”理论，环的外部边界由木星界定。当它向太阳移动时，就像在太阳系的吸积盘上清理出一条路径，到达地球当前的轨道。但是它的内部界限在哪里呢？为什么小行星应该被限制在环的内部？“这个问题还没有解决！”巴蒂金说。

横扫第一代“超级地球”

根据拉弗林和巴蒂金的新解释，答案在于，最初的超级地球，即太阳系内部的黑洞，几乎完全对应于其他恒星系统中典型的超级地球的位置。如果在木星向内迁移之前，太阳系内已经有一组轨道较窄的岩石行星了呢？那时，太阳附近被稠密的气体和尘埃所包围，所以持续形成具有深层大气的岩石行星是合理的。在成为一个典型的“超级地球”的过程中，它们就像许多围绕其他系外恒星运行的系外行星一样。

因此，我们有理由推测这个地区有第一代行星群。它们没能存活下来，在太阳系的早期历史中被消灭了。木星是使太阳系成为今天这个样子的关键。

“这就像我们担心在低地球轨道上被摧毁的卫星一样。它们的碎片可能会冲进其他卫星领域，引发连锁碰撞反应。我们的研究表明，木星可能在太阳系内部制造了这样一场持续不断的碰撞。”拉夫林说。

巴蒂金和拉费林研究了木星和土星的形成，并从“大转弯”理论中得到一些解释。拉弗林说，形成像木星这样的巨型行星是非常罕见的，但是当它形成时，巨型行星通常向内迁移，并在到达像地球这样的轨道距离时停止。直到土星在太阳系形成，木星才被拉回，让水星、金星、地球和火星形成。

根据他们的计算和模拟，当木星向内移动时，它会将沿途遇到的所有小行星拉进轨道共振，并将它们一起移向太阳。当小行星靠近太阳时，它们的轨道变成椭圆形。巴蒂金说:“你不能不花钱就缩小轨道的半径，结果将是它们的长轴和短轴的比率增加。”。

新的拉长的轨道导致大多数小行星以100公里的半径运行，扫过以前无法到达的区域，引发了一系列碰撞。巴蒂金的计算显示，在此期间，每颗行星至少每200年与其他物体碰撞一次，碰撞产生的碎片螺旋向太阳，绕着太阳旋转，对抗来自致密气体的强大逆风。持续的碰撞和雪崩将摧毁任何新形成的超级地球，越来越多的碎片将飞入太阳。

他们做了最后的模拟，看看当这一系列的碰撞开始时，如果恒星系统中有一群超级地球会发生什么。他们在已知的-11(开普勒-11)恒星系统中进行了模拟。恒星系统中有六个超级地球，总质量是地球的40倍，围绕着一颗类似太阳的恒星运行。根据这个模型，在持续超过20，000年的恒星碰撞雪崩中，超级地球将被驱动成类似太阳的恒星。

“这是一个非常有效的物理过程，”巴蒂金说。"只要需要一些地球质量的物质，数十颗地球质量的行星就可以被驱动到太阳中."

太阳系的第二代恒星

我们的太阳系中有许多超级地球，而地球属于第二代行星。这些“第二代恒星”——水星、金星、地球和火星——是后来形成的。它们的质量更小，大气更稀薄，因为那时几乎没有“造星”材料。

巴蒂金说，当木星转动时，它的一些小行星会平静下来，进入圆形轨道。星子花了数百万年才聚集在一起，最终形成类地行星。在被木星卷走后，只剩下大约10%的物质，形成了现在的水星、金星、地球和火星。"我们是由这种混乱的残余形成的。"

“木星的第一次内部和第二次外部航行可能摧毁了第一代行星，并在太阳系形成了目前这一代更小的类地行星。”巴蒂金说，这与观测证据很好地一致，即地球是在太阳诞生后1亿到2亿年间形成的。由于最初的氢和氦圆盘那时已经消失，这也解释了地球大气中缺乏氢的原因。

这也与太阳系内行星比外行星年轻的证据相一致。“我们的理论预测之一是，具有固体表面和中等大气压力的真正类地行星非常罕见，”拉费林说。另一个预测是，这些拥有轨道周期超过100天的巨型行星的系统不太可能携带多个近轨道行星。

“一次又一次地发生一些事情的理论几乎都是错误的，所以我们起初持怀疑态度，”他说。“但它确实包含了其他研究者广泛涉及的一般过程。有很多证据支持木星先向内然后向外移动的观点。我们已经深入研究了这些结果。对于太阳系中的原始恒星来说，木星的“大转弯”可能更像是一次“大攻击”。"

这使得太阳系不同。大多数系外行星与太阳系不同。根据巴蒂金的预测，大多数系外行星都是超级地球，它们的大气层含有大量的氢，因为当它们形成时，行星盘中有大量的气体。"最终，本质上，这意味着像地球这样的行星并不常见."