（Shea 編譯）關(guān)于木星，我們知道許多事情。這顆氣態(tài)巨行星的質(zhì)量是地球的317.8倍。這個(gè)數(shù)字也相當(dāng)于太陽(yáng)系中其他行星總質(zhì)量的2倍。它擁有4顆大型衛(wèi)星和許多小衛(wèi)星，它的自轉(zhuǎn)速度驚人，木星上的一“天”不足10個(gè)小時(shí)。

不過(guò)，在木星身上也有一些東西在不斷給我們帶來(lái)驚喜。例如，誰(shuí)曾想到這顆由氫和氦構(gòu)成的巨行星其實(shí)有著驚人的破壞力，幫助塑造了今天我們所知的整個(gè)太陽(yáng)系？

如現(xiàn)在所見(jiàn)，8顆行星正在以規(guī)則且固定的軌道繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。水星位于最內(nèi)側(cè)，向外依次是金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。然而，這一排列并非一貫如此。雖然現(xiàn)在的一切看似有序，但有一些異常已經(jīng)困擾了天文學(xué)家好一段時(shí)間。

扼制火星成長(zhǎng)

其中一個(gè)問(wèn)題就是火星。當(dāng)天文學(xué)家試圖利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬太陽(yáng)系最內(nèi)層4顆行星的形成時(shí)，火星的質(zhì)量要么比現(xiàn)在大10倍，要么遠(yuǎn)比實(shí)際的更加靠近太陽(yáng)?？茖W(xué)家一直在思考，是什么東西扼制了火星的生長(zhǎng)，并改變了它的軌道。一些天文學(xué)家認(rèn)為，答案就是木星。

木星是太陽(yáng)系中最大的行星。它的質(zhì)量是地球的317.8倍，是其他行星總質(zhì)量的2倍。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)在木星的兩極還存在極光活動(dòng)。圖片來(lái)源：NASA/ESA/J. Nichols (Univ. Leicester)

多年來(lái)，不同的研究一直在嘗試為這個(gè)問(wèn)題提供解答。2009年，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的布拉德·漢森（Brad Hansen）提出一個(gè)理論，認(rèn)為太陽(yáng)系中的固態(tài)物質(zhì)僅分布在一個(gè)特定的范圍之內(nèi)。他認(rèn)為這個(gè)邊界在距離太陽(yáng)1個(gè)天文單位處，在這之外的行星會(huì)因?yàn)槿鄙傥镔|(zhì)而無(wú)法生長(zhǎng)。

這個(gè)想法很有效——1個(gè)天文單位是地球到太陽(yáng)的距離，這可以解釋為什么地球和金星的質(zhì)量都遠(yuǎn)大于火星?；鹦堑教?yáng)的距離為1.5個(gè)天文單位，位于漢森提出的邊界之外。這使得火星會(huì)因?yàn)槿鄙俟虘B(tài)物質(zhì)而無(wú)法生長(zhǎng)變大，聽(tīng)起來(lái)似乎是一個(gè)完美的解釋。然而，有一個(gè)關(guān)鍵要素缺失了?！皾h森并沒(méi)有解釋他是如何得出這一邊界所在位置的，”天文學(xué)家亞歷山德羅·莫爾比代利（Alessandro Morbidelli）說(shuō)。它也無(wú)法解釋遠(yuǎn)在1個(gè)天文單位之外的氣態(tài)行星和小行星帶。

為了解釋火星質(zhì)量太低的問(wèn)題，莫爾比代利與肖恩·雷蒙德（Sean Raymond）、凱文·沃爾什（Kevin Walsh）、阿維·曼德?tīng)枺ˋvi Mandell）和戴維·奧布萊恩（David O'Brien）一起，開(kāi)始更加仔細(xì)地審視太陽(yáng)系中最大的行星——木星。他們最終提出了一個(gè)大遷徙假說(shuō)，認(rèn)為木星是太陽(yáng)系中形成的第一顆行星，它在其一生中進(jìn)行了2次遷移：一開(kāi)始向內(nèi)朝太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，然后又向外遷移到它今天的位置。這正是事情變得相當(dāng)有趣的地方。為了形成一顆質(zhì)量較小的火星，必須要削減它的引力俘獲區(qū)。這是一個(gè)非?；镜南敕?，火星要體型小，就不得不挨餓，而地球和金星卻沒(méi)有這樣。所以這些天文學(xué)家想知道，木星會(huì)如何？如果它一直位于火星現(xiàn)在的位置，會(huì)發(fā)生什么情況？

他們提出木星曾穿行于內(nèi)太陽(yáng)系中，從初始時(shí)距離太陽(yáng)3.5個(gè)天文單位運(yùn)動(dòng)到了僅1.5個(gè)天文單位處，后者正好是目前火星軌道所在的位置。在太陽(yáng)系歷史的早期，年輕的太陽(yáng)周?chē)嬖谥粋€(gè)原行星盤(pán)，其中濃密的氣流和引力會(huì)把木星向內(nèi)推。這個(gè)盤(pán)中的稠密氣體使得木星不會(huì)太過(guò)靠近而最終掉入太陽(yáng)，但這同時(shí)也意味著木星會(huì)吸積掉該區(qū)域中大量的物質(zhì)，對(duì)此后火星的形成和生長(zhǎng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

在這個(gè)階段，類(lèi)地行星還都沒(méi)有形成。水星、金星、地球和火星要比氣態(tài)巨行星更為年輕，它們誕生的時(shí)間要晚得多。大遷徙假說(shuō)提出，在太陽(yáng)系形成的最初一千萬(wàn)年里，土星會(huì)隨著木星一起朝太陽(yáng)方向遷移，并且它們會(huì)進(jìn)入軌道共振狀態(tài)。這意味著土星和木星會(huì)對(duì)彼此產(chǎn)生規(guī)律且周期性的引力作用，由此它們會(huì)清除掉位于它們之間的所有氣體，并最終使得這兩顆氣態(tài)巨行星朝外太陽(yáng)系遷移。

木星最終達(dá)到了其目前5.2個(gè)天文單位的位置，但由于之前在火星今天的軌道上吸積了大量的物質(zhì)，直接導(dǎo)致火星生長(zhǎng)受阻，無(wú)法長(zhǎng)到金星和地球的大小。更重要的是，在遷移的過(guò)程中，由于木星到太陽(yáng)的距離始終沒(méi)有小于1.5個(gè)天文單位，因此它沒(méi)有對(duì)更靠近太陽(yáng)的物質(zhì)產(chǎn)生影響。這也意味著最內(nèi)層的3顆類(lèi)地行星——水星、金星和地球——能夠如預(yù)期一樣正常形成。

要理解木星如何影響火星，只需把火星和地球做個(gè)比較。在形成的起始階段，地球和火星都會(huì)快速生長(zhǎng)，但這個(gè)過(guò)程在地球身上得以繼續(xù)，而火星則沒(méi)有。雖然火星被認(rèn)為形成于距離太陽(yáng)約1個(gè)天文單位處，在那里它能夠形成其核心，但引力相互作用把它推到了約1.5個(gè)天文單位的地方，使得它自在了一個(gè)缺乏物質(zhì)的區(qū)域，無(wú)法進(jìn)一步生長(zhǎng)。因此，火星在地球完全成形前很久就被迫停止生長(zhǎng)了。

火星形成的時(shí)標(biāo)要比地球短得多。地球在其最初的500萬(wàn)～1000萬(wàn)年中積聚了約50%的質(zhì)量。地球形成花了1億年的時(shí)間，而火星只花了400萬(wàn)年。因此，在開(kāi)始的時(shí)候，火星積聚質(zhì)量，然后突然停了下來(lái)。木星清空這一區(qū)域、僅留下少量物質(zhì)的想法可以解釋火星的質(zhì)量，也可以解釋火星的生長(zhǎng)過(guò)程何以戛然而止。

一些科學(xué)家認(rèn)為，太陽(yáng)系中曾經(jīng)存在過(guò)超級(jí)地球，它們的質(zhì)量可達(dá)地球的10倍，但木星的引力使得這些超級(jí)地球發(fā)生相撞并最終瓦解。圖為超級(jí)地球格利澤876d的藝術(shù)概念圖。圖片來(lái)源：Trent Schindler/NSF

行星之王的殺戮歷史

木星先向內(nèi)、后向外的遷移，對(duì)太陽(yáng)系產(chǎn)生了重大而深遠(yuǎn)的影響。

0年：木星形成
在早期太陽(yáng)系中，原行星盤(pán)中有濃密的氣體和塵埃在繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。木星最早形成于原行星盤(pán)中距離太陽(yáng)3.5個(gè)天文單位的地方。

70 000年：主要引力源
木星從原行星盤(pán)中吸積氣體，使之成為一顆氣態(tài)巨行星。在這個(gè)盤(pán)中打開(kāi)了一道巨大的縫，隨后木星開(kāi)始朝著太陽(yáng)向內(nèi)遷移。

80 000年：超級(jí)地球碰撞
有一種理論認(rèn)為，木星的引力使得形成于太陽(yáng)附近的超級(jí)地球發(fā)生相撞。撞出的碎片殘骸掉入了太陽(yáng)，但留存下的物質(zhì)形成了今天所看到的類(lèi)地行星。

100 000年：土星形成
土星形成于木星遷移到4.5個(gè)天文單位之前。在接近其目前的質(zhì)量時(shí)，它與原行星盤(pán)中氣體的引力相互作用使得它向內(nèi)遷移。

120 000年：氣態(tài)巨行星彼此靠近
在盤(pán)中氣流的推動(dòng)下，土星逐漸靠近木星，進(jìn)入軌道共振的狀態(tài)。土星每繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)2周，木星則繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)3周。

300 000年：向外遷移
在這個(gè)階段，木星位于距離太陽(yáng)1.5個(gè)天文單位處，與今天火星占據(jù)的軌道一致。之后，木星調(diào)頭，它和土星開(kāi)始遠(yuǎn)離太陽(yáng)向外遷移。

500 000年：清除小行星
隨著木星和土星向外遷移，木星會(huì)沿途清除掉它所遇到的15%的小行星。這解釋了為什么存在兩類(lèi)小行星以及小行星帶的質(zhì)量缺失。

600 000年：木星止步
由于原行星盤(pán)中的氣體耗盡，木星向外遷移的速度放緩并最終止步于現(xiàn)在的5.2個(gè)天文單位處。天王星和海王星通過(guò)共振被俘獲。它們都生長(zhǎng)到了現(xiàn)有的質(zhì)量。

消滅超級(jí)地球

在塑造太陽(yáng)系的過(guò)程中，木星的潛在作用并不僅限于此。一些科學(xué)家認(rèn)為，太陽(yáng)系中曾經(jīng)存在過(guò)超級(jí)地球，它們的質(zhì)量可達(dá)地球的10倍，但要小于海王星。就像在其他許多行星系統(tǒng)中所觀測(cè)到的，它們都十分靠近宿主恒星。不同于今天我們所見(jiàn)的太陽(yáng)系，它們幫助形成了最早的太陽(yáng)系，但它們很可能已經(jīng)被所向無(wú)敵的木星破壞了。

這聽(tīng)起來(lái)很稀奇，卻是由美國(guó)加州理工學(xué)院的行星科學(xué)家康斯坦丁·巴特金（Konstantin Batygin）和美國(guó)加州大學(xué)圣克魯斯分校的天文學(xué)家格雷格·勞克林（Greg Laughlin）提出的一個(gè)理論。他們的這個(gè)想法使用了大遷移假說(shuō)，提出它的靈感則來(lái)自于開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡。該空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，銀河系中的恒星普遍都擁有非?？拷陨淼膸r質(zhì)行星，這些行星的質(zhì)量比地球大，并且擁有稀薄的大氣。

這一發(fā)現(xiàn)暗示，在內(nèi)太陽(yáng)系有行星不見(jiàn)了蹤影。其他行星系統(tǒng)中的氣態(tài)巨行星到其宿主恒星的距離往往只有水星到太陽(yáng)距離的1/10。這著實(shí)讓人思考，木星是如何形成的，以及大遷徙又如何清空了內(nèi)太陽(yáng)系。巴特金和勞克林的想法是，如果太陽(yáng)系與其他的行星系統(tǒng)相似，那么在短周期的軌道上應(yīng)該有一些超級(jí)地球存在。但是，如果曾經(jīng)確實(shí)是這樣的話(huà)，那么今天天文學(xué)家將不得不解釋這些超級(jí)地球又去往了什么地方。

巴特金和勞克林認(rèn)為，超級(jí)地球形成于木星向內(nèi)遷移之前。在最早的階段，超級(jí)地球會(huì)快速形成。由于表面密度高，也因?yàn)檐壍乐芷诙?，它們可以獲得大量的物質(zhì)，進(jìn)而迅速生長(zhǎng)。

當(dāng)木星在大遷徙假說(shuō)中向太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，巴特金和勞克林認(rèn)為這會(huì)迫使超級(jí)地球的軌道發(fā)生交疊，使得它們發(fā)生碰撞并瓦解，這意味著在木星向內(nèi)遷移的過(guò)程中，超級(jí)地球首當(dāng)其沖遭到破壞。它也會(huì)把木星送入了一條在其他許多行星系統(tǒng)中非常典型的軌道。木星會(huì)觸發(fā)級(jí)聯(lián)式碰撞，位于目前地球所在區(qū)域中正在試圖形成的所有天體，都會(huì)開(kāi)始發(fā)生碰撞并解體。

其結(jié)果是，在氣體阻尼力下，超級(jí)地球的殘骸會(huì)被推入太陽(yáng)，由此清空了水星和太陽(yáng)之間的區(qū)域，這也解釋了那里鮮有物質(zhì)存在的緣由。如果被證實(shí)，這一理論有助于解釋為什么太陽(yáng)系會(huì)變得如此不同于其他的行星系統(tǒng)，以及為什么今天太陽(yáng)系的類(lèi)地行星會(huì)如此之小。它認(rèn)為第一代行星已被摧毀，更小的行星在第二波形成浪潮中取而代之。

“大遷徙會(huì)破壞最初的行星構(gòu)形，”勞克林說(shuō)，“然后，一旦進(jìn)入共振狀態(tài)，木星和土星會(huì)向外遷移，最終地球和其他類(lèi)地行星得以在木星先向內(nèi)、后向外的遷移過(guò)程所留下的殘骸中誕出?！?br>
這正是類(lèi)地行星的年齡要小于氣態(tài)巨行星的原因。類(lèi)地行星只有在木星“碾碎”了其沿途的行星體之后才能形成。這構(gòu)建了一個(gè)框架，由此我們可以理解為什么類(lèi)地行星要比氣態(tài)巨行星更加年輕。在這個(gè)框架下，太陽(yáng)系曾經(jīng)擁有著奇特和不尋常的特征，和目前所見(jiàn)的迥然不同，而這全都是由木星在其早期的破壞作用所導(dǎo)致的。

根據(jù)大遷徙假說(shuō)，在太陽(yáng)系早期因巨行星的遷移，會(huì)引發(fā)大規(guī)模的天體碰撞事件。

大遷徙假說(shuō)的證據(jù)

火星的質(zhì)量小于預(yù)期。當(dāng)在計(jì)算機(jī)中模擬太陽(yáng)的原行星盤(pán)時(shí)，火星的質(zhì)量要大于現(xiàn)在的數(shù)值，因?yàn)樵谄滠壍栏浇谐渥愕奈镔|(zhì)。大遷徙假說(shuō)認(rèn)為，木星吸積掉了這些物質(zhì)中的大部分。

小行星帶中存在不同類(lèi)型的天體：冰質(zhì)小行星和干燥的巖質(zhì)小行星，這向天文學(xué)家提出了挑戰(zhàn)。大遷徙假說(shuō)認(rèn)為，木星向外的遷移把小行星帶向內(nèi)推，并且把冰質(zhì)的小天體輸送到更靠近太陽(yáng)的地方。

地球的表面具有“合適”的含水量。太陽(yáng)系形成的經(jīng)典模型顯示地球上的水要么太多，要么太少。大遷徙假說(shuō)提出，碳型冰質(zhì)小行星是地球上水的來(lái)源。

小行星帶質(zhì)量小于預(yù)期。當(dāng)木星向內(nèi)遷移進(jìn)入、然后又向外遷移出小行星帶時(shí)，它會(huì)把小行星帶的質(zhì)量削減到目前的水平。

一顆以近圓軌道運(yùn)動(dòng)的巨行星并非是在每個(gè)行星系統(tǒng)中都能普遍見(jiàn)到的事情。事實(shí)上，其發(fā)生的概率只有百分之幾。在水星軌道之內(nèi)空無(wú)一物也十分不尋常，這很可能是因?yàn)轭?lèi)地行星形成時(shí)間較晚且缺少物質(zhì)所致。

這可能意味著，有著與地球相似固體表面和大氣壓強(qiáng)的行星也許是比較罕見(jiàn)的?；诂F(xiàn)在對(duì)太陽(yáng)系演化所做出的更為清醒的認(rèn)識(shí)和判斷，由此對(duì)于在其他行星上存在生命的猜測(cè)可能需要回歸審慎的態(tài)度。

即便如此，莫爾比代利并不相信太陽(yáng)系中曾存在過(guò)超級(jí)地球。他認(rèn)為巴特金和勞克林的工作仍很初步，有些方面還需要深入。他表示，原行星盤(pán)存在內(nèi)邊界，行星是無(wú)法越過(guò)這一界線(xiàn)的?！按嬖谥恍┳饔脮?huì)把行星維持在這一邊界上，”他說(shuō)，“這些作用也會(huì)推動(dòng)塵埃?！背鲇谶@個(gè)原因，行星是無(wú)法遷移并掉入太陽(yáng)的。當(dāng)然，也有人反對(duì)大遷徙假說(shuō)，如果它被證實(shí)，將會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。

“這會(huì)使得太陽(yáng)系再次變得特殊，”莫爾比代利說(shuō)?！斑@表明，我們是因?yàn)橐幌盗刑囟ǖ氖录糯嬖谟谶@里的，而很明顯這些事件并不會(huì)在任何時(shí)候都發(fā)生。例如，如果木星向內(nèi)遷移得更加靠近太陽(yáng)，那么我們就不會(huì)在這里，因?yàn)榈厍虻拇笮?huì)和現(xiàn)在的火星相當(dāng)。不要誤會(huì)我的意思，我并不是說(shuō)這多虧了‘上帝之手’，而是說(shuō)這一系列事件恰到好處發(fā)生的概率絕對(duì)不會(huì)高?！保ň庉嫞?a href="http://www./i/0356939795/">Steed）

本文授權(quán)轉(zhuǎn)載自“火流星”網(wǎng)站。