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改进过的新太阳系

[ 录入者:Melipal | 时间:2010-11-05 22:13:42 | 作者:Melipal译 | 来源: | 浏览:6977次 ]

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作者:Kelly Beatty   原文来自:   Posted: 2010. 10. 16

编译:Melipal   审校:Linq (编译版权所有,文章有删节,未经许可请勿转载。)

大家请系 好安全带——我即将带领你们踏上疯狂的 旅途!

与在其他恒星 周围发现的 行星 系 统相比,我们的 太阳系 是一个有秩序的 世界,每颗行星 都在稳定的 近圆轨道上环绕着太阳运行。几世纪以来,人们认为行星 长期的 稳定性是显而易见的 ,它们就在现在所处的 位置上产生,从环绕在周围的 原行星 盘中吸积气体以及较大的 物质块,直到到达最终的 尺度。

solar_system_Photojournal_428px.jpg

如NASA/JPL的 网站主页所示,我们的 太阳系 是由环绕着太阳运转、有序排列的 行星 组成的 。图片提供:NASA / JPL

但是走得更深入一点,你会发现这一过分单纯的 图景存在严重的 问题。举例来说,天王星 与海王星 最终应该比现在小得多,质量也更轻,原因是在距离幼年太阳数十亿英里之外的 地方,原行星 可搜集的 物质非常稀薄,吸积过程也非常缓慢。相反,火星 诞生在盘中的 肥沃地带,最终可以达到的 质量应该比现在的 实际情况至少大10倍。而且也没有人真正明白小行星 带存在的 原因——尤其是为什么它可以大致分为靠近太阳的 岩石天体(S型)以及距离太阳较远、以碳元素为主的 异类(C型)两类。

几年前,动力学家解决了天王星 —海王星 难题。他们假定4颗巨型行星 最初是靠得更加紧密的 家族,一起在距离太阳5到12天文单位的 舒适地带形成。

起初,这4个大家伙和平共处。但是在200万年后,事情变得不好收拾了。木星 的 引力将土星 推上了一条高度摇摆的 不稳定轨道,这引发的 密近交会连锁反应最终将海王星 和天王星 扔到了现在所处的 遥远行星 际空间。

Morbidelli_planet_simulation.jpg

计算机模型表明,外行星 在较窄的 日心距范围(5到12天文单位)内形成(图中左下部分,如纵轴所示)。然而在大约200万年后,土星 轨道与木星 发生了5:3共振,偏心率变得更大。形成地比天王星 更加靠近太阳的 海王星 与其他所有3颗行星 发生了重复的 密近交会,最终被外抛到了今天所在的 地方。图片提供:A. Morbidelli & others / Astronomical Journal

现在理论家有了或多或少可以让外太阳系 就位的 模型,但是他们仍旧为内行星 头疼。过小的 火星 与成分分层的 小行星 带的 恼人问题仍旧存在。

更糟糕的 是,对其他行星 系 统的 发现揭示出了根本不同的 内行星 结构:距离恒星 非常近的 “热木星 ”,它们的 一年只有几天;轨道高度偏离正圆的 大质量行星 ,任何与它们相遇的 较小天体都会被抛出。由于在系 外行星 中,无序非常常见,太阳系 可以最终变成任何小而紧密的 系 统都是令人惊讶的 。

不过现在出现了模拟太阳系 形成的 突破,在上周美国天文学会行星 科学分会的 会议上,人们公布了其中的 细节。得到4颗正确尺寸的 类地行星 外加正确类型的 小行星 很容易,不过需要对木星 (以及土星 )达到今天所在位置所经历的 过程进行一些引人注目的 新思考。

 

解决火星 难题

这场革命的 舞台实际上是在去年搭建的 。当时加州大学洛杉矶分校的 布拉德·汉森(Brad Hansen)试图用一种焕然一新的 方式构造出内太阳系 。他利用另一颗已知拥有密近地球尺度行星 的 系 统——环绕着毫秒脉冲星 B1257+12的 行星 系 统作为线索。这些发现于1991年、经常被人忽视,原因是它们的 主“恒星 ”太过极端了。

Pulsarplanetsart_m.jpg

没有人知道靠近观看环绕着脉冲星 B1257+12的 行星 系 统会是什么样子的 ,不过这里提供了一张可能正确的 图示。3颗地球质量的 行星 在近距离内环绕着脉冲星 运动;一颗小行星 质量的 天体(未在图中表示)在更远的 地方运转。点击可见大图。图片提供:Robert Hurt

先前的 计算机模拟假设,内行星 是从一条致密的 大质量物质带中吸积而成的 ,带中存在一英尺量级宽度的 星 子,几乎延伸到木星 的 位置。但是由此带来的 结果都是质量过大的 火星 以及混乱的 小行星 带。然而汉森意识到,PSR B1257+12的 行星 必然是从靠近脉冲星 的 有限热物质盘中凝聚而成的 。

当他以同样的 方法应用到我们的 太阳系 之上时,他的 初始条件是日心距离仅仅处在0.7到1.0天文单位之间的 盘面,瞧!——他的 计算机例行公事般地给出了几颗行星 ,较大的 (将它们当作“地球”和“金星 ”好了)位于中间,较小的 (“水星 ”与“火星 ”)在内外边缘上。

那么为什么地球与附近的 邻居是起源于如此狭窄的 盘面呢?汉森在发表结果的 时候,对此毫无线索。他承认:“在我的 论文中,我坦率承认,这是特别选择的 。但是它成功了——实际上比任何先前的 研究都成功得多。”

Hansen_planet_simulation.jpg

让类地行星 在狭窄盘面(灰色条带)中形成的 模拟给出了内行星 的 分布(23次计算给出的 结果以空心圆圈表示),与实际分布(彩色圆点)吻合得很好。假设形成行星 的 铁元素丰度与其他类地行星 相同,就可以给出水星 的 上限值。图片提供:Brad Hansen / Astrophysical Journal

同时,外行星 圈子也在考虑,木星 是如何免遭系 外巨行星 的 命运,没有被太阳近距离俘获的 。理论上说,木星 与太阳的 原行星 盘之间的 潮汐相互作用会把它向内拉,让它遭遇或者几乎遭遇被吞没的 命运。

然而早在1999年,当时在马丽皇后学院工作的 理论家弗雷德里克·马塞特(Frederic Masset)与马克·斯内格罗夫(Mark Snellgrove)就说明了,木星 确实向内迁移过——不过只是达到了与土星 保持3:2共振的 地方。在这里,木星 每环绕太阳旋转3周,土星 就旋转2周。这对行星 在这里发生过运动反转,并向外运动。(这种耦合迁移机制有些复杂,如果有兴趣的 话,你可以在看到详细说明。)

汉森猜测式的 模拟与对巨型气体行星 向内外迁移的 认识一道,让太阳系 模拟者喊出了“我知道了!”他们想,如果年轻的 木星 冒险走到了比现在的 位置距离太阳近得多的 地方,又会发生什么呢?

在上周的 会议上,令人惊异的 结果公布了。在法国蓝色海岸365体育彩票从事博士后工作时与亚历山德罗·莫比德利(Alessandro Morbidelli)一道解决这一问题的 凯文·沃尔什(Kevin Walsh)进行了计算机模拟,最开始将木星 放在距离太阳3.5天文单位的 地方,并让它向内爬行到1.5天文单位(大致相当于现在火星 的 轨道半径)。的 覆盖宽度和重要性都非常值得注意。

Walsh_planet_simulation.jpg

这张简化的 序列图说明了太阳系 早期历史中木星 和土星 的 内外迁移是如何造就了诞生内行星 的 狭窄盘面的 。它们的 运动还在小行星 带中造就了交叠分布的 岩石(S)与碳质(C)天体区域。图片提供:Kevin Walsh / SWRI

首先,木星 的 引力也会将轨迹上的 小物质块向内拉,形成了一个由扰动驱动的 雪犁,让所有岩石星 子堆积到一个外边缘距离太阳1天文单位的 小型盘面中。根据来自行星 科学学会的 报告人、沃尔什小组的 成员的 观点,木星 只花费了10万年的 时间就向内运行至距离太阳1.5天文单位的 地方,又花费了50万年到达了现在距离太阳5.2天文单位的 轨道上。

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这张简化的 序列图说明了太阳系 早期历史中木星 和土星 的 内外迁移是如何造就了诞生内行星 的 狭窄盘面的 。它们的 运动还在小行星 带中造就了交叠分布的 岩石(S)与碳质(C)天体区域。图片提供:Kevin Walsh / SWRI

首先,木星 的 引力也会将轨迹上的 小物质块向内拉,形成了一个由扰动驱动的 雪犁,让所有岩石星 子堆积到一个外边缘距离太阳1天文单位的 小型盘面中。根据来自行星 科学学会的 报告人、沃尔什小组的 成员的 观点,木星 只花费了10万年的 时间就向内运行至距离太阳1.5天文单位的 地方,又花费了50万年到达了现在距离太阳5.2天文单位的 轨道上。

其次,新的 计算机模拟证实了汉森已经提出的 观点:一个由岩石物质组成的 小型盘面只延伸了1天文单位的 距离,其中的 物质只够凝结成4颗类地行星 ——而且火星 也没有那么大。

在会议上,来自西南研究所的 戴维·明顿(David Minton)与哈尔·利维森(Hal Levison)报告了,他们使用截取过的 小型盘面,得出了同样的 结论。一个关键的 不同是,在明顿与利维森的 模拟中,火星 就在盘中形成,并且迁移到盘面边缘以外的 地方。

这应该是件好事,因为运动的 火星 可以提供引力扰动,将踢出盘面,进入内小行星 带,现在这类天体正是往往在此处被发现。汉森评论道:“在我的 计算中,火星 在[盘面中的 ]原始位置非常易变。向外的 迁移是散射所致,因此事情好了很多。”

第三,如果土星 (通过3:2共振拖住了木星 )质量不够大,不能通过潮汐力制止木星 的 运动并让两颗行星 的 运动方向逆转,木星 可能会到达距离太阳更近的 地方,也许径直朝太阳冲去。这样看来,类地行星 的 形成与存在就不是依靠木星 ,而是要取决于土星 了。

第四,木星 向内的 迁移可以完全扫清距离太阳2到4天文单位的 小行星 区。这里的 大多数天体都完全消失了,但是大约有15%被散射到了土星 以外的 盘面中。在两颗恒星 掉转运动方向,向外迁移之后,这次它们向内散射了更多原先的 错位天体,把它们送回了今天的 小行星 带中。

第五,在土星 和木星 继续向外运动,前往最终的 轨道期间,它们遭遇了其他的 小行星 群。与来回抛掷的 岩石天体不同,这些是形成于距离太阳6到9天文单位之间的 富碳富水天体。它们被动力学二重唱向内拖曳,形成了如今外小行星 带的 主力。

 

新的 图景?

概述一下:在包罗万象的 叙述中,这些理论家给出了针对小火星 以及分层小行星 带(内层富岩石,外层富碳)的 解释。新的 理论还额外给出了一组在正确的 时间尺度上(太阳诞生后大约3000万年)自然形成的 一组4颗内行星 。它甚至还为地球提供了水源(C型小行星 )以及促使发生产生月球的 巨型撞击的 近地环境。

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如果最近的 计算机模拟是正确的 ,太阳系 的 内行星 应该形成于一个狭窄的 砾石盘面中,盘的 宽度只有大约3000万英里。如此狭窄的 盘面可以造就一个不太大的 火星 ——而先前的 模型没有做到这一点。图片提供:NASA / JPL / T. Pyle (SSC)

沃尔什说,这一激进的 图景说明“我们对内太阳系 演化的 了解发生了范式转换”。这是谨慎的 说法而已!对于我来说,这就是不能忘怀的 ,只是这些家伙已经做足了功课。

“木星 伟大的 抢风航行”(如莫比德利所说)会禁住未来的 检验吗?沃尔什与他的 小组已经将进一步的 结论提交给了《自然》杂志供出版,但是其他动力学家已经开始根据上周的 报告见闻进行权衡了。西南研究所的 同事威廉·博特克(William Bottke)观察道:“对于我来说,他们的 模型有很多不错的 地方。但是在全面宣布胜利之前,还需要检查许多第一位的 东西。”

举例来说,现在广泛被接受的 观点是,地球上的 大多数水分是来自外小行星 带的 。但是博特克认为,沃尔什、奥布赖恩、莫比德利以及其他人提出的 图景应该需要大规模的 富水(C型)小行星 仓库,总质量是如今小行星 带中的 上百倍。他说:“我们需要用更多的 物理与宇宙化学来审查这些模型。”另外,木星 与土星 向内迁移的 距离与土星 羽翼丰满的 速度与时间密切相关。“有效”的 初始条件范围越宽,该模型正确的 可能性就越高。

莫比德利仍旧自信地认为,他们正迈入某些深远的 发现。他妙语道:“我们认为自己是天空中的 地质学家。现在我们可以足够好地‘阅读’当前的 太阳系 排列,来探明早期的 行星 做了些什么。”

(全文完)

Tags:太阳系 演化

责任编辑:Melipal

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