漫谈躁动不安的太阳系

摘要：2013年2月15日，当地时间9时20分，一块直径15米的陨石在俄罗斯车里雅宾斯克上空爆炸。由此产生的冲击波震碎了方圆300米内建筑的玻璃窗，掀翻当地一家制锌工厂的房顶，上千人因玻璃扎伤或其他伤情被送医院救治。同样是在2013年，百万网友在线观看了有45亿年历史的艾桑彗星在椭圆轨道中一头扑进太阳，最后只剩下一团烟尘的毁灭过程。

关键词： 太阳系 奥尔特云 小行星带 柯伊伯带 行星搬家

2013年2月15日，当地时间9时20分，一块直径15米的陨石在俄罗斯车里雅宾斯克上空爆炸。由此产生的冲击波震碎了方圆300米内建筑的玻璃窗，掀翻当地一家制锌工厂的房顶，上千人因玻璃扎伤或其他伤情被送医院救治。同样是在2013年，百万网友在线观看了有45亿年历史的艾桑彗星在椭圆轨道中一头扑进太阳，最后只剩下一团烟尘的毁灭过程。

2019年，科学家在查看巡天望远镜历史照片时被吓出一身冷汗。这些照片显示一颗直径为130米的小行星曾与地球擦肩而过，当时它与地球之间的最近距离仅为7.1万千米，相对于地球的速度高达8.85万千米/时。这次事件发生一个多月后才被科学家发现。

并非偶然

地球所处的太阳系并不平静。小行星带、柯伊伯带和奥尔特云中存在大量不稳定的碎片，它们是太阳系制造行星时留下的碎屑。据推测，最终成为车里雅宾斯克陨石的流星可能形成于约3万年前小行星带中的一次强烈碰撞。柯伊伯带位于海王星轨道之外。奥尔特云是包围太阳系的一圈云状陨石圈，也是艾桑彗星的故乡。车里雅宾斯克灾难过后，科学家发现陨石撞击地球的实际概率比之前模型预测的结果还高：车里雅宾斯克级别的陨石撞击地球的概率比之前的预测值高10倍。长期来看，这种级别的陨石撞地事件并非偶然，太阳系所有行星都逃不过被小行星撞击的命运——它们要么会被撞出现有轨道，要么会在猛烈撞击下支离破碎。

行星搬家

根据太阳系形成与进化的最新理论，行星遭到大型小行星撞击并非罕见。虽然太阳系目前很稳定，但太阳系行星在形成初期并未处于现行轨道。就算是现在看来稳定的轨道，也只是暂时稳定而已。如果你漫游整个银河系，在经过50亿年的漫长旅行后，回到地球的你会发现水星早已不在，地球轨道也已偏心并离开可居住地带，生命已经从地球上几乎绝迹。长久以来，科学界一直相信地球和太阳系其他行星在形成之初的样子和轨道位置与今天的状况并无二致。13世纪有天文学家用几何学模型描述整个宇宙。直到人类进入太空时代，仍有不少科学家坚持这种宇宙固定不变的荒诞观念。

其实，行星轨道经常发生变化。20世纪70年代，不断有模拟太阳系形成过程的理论模型提出一种看似荒谬的假说：太阳系内所有行星正在远离太阳。尽管天体物理学家通过纸上计算就已得出这个结论，科学家们却随即就把此事丢在一边——没有人把太阳系行星迁移当回事。直到几十年后，一系列新发现迫使科学家重拾这个假说。1995年，科学家探测到了飞马座51b行星。距离地球50光年的它发出暗黄色光芒，它也是人类发现的第一颗环绕类似太阳的恒星(飞马座51)的系外行星。飞马座51b为气态行星，大小接近木星。

科学界曾经认为，只有在远离母恒星的星系内寒冷空区才能形成类似飞马座51b的大型气态行星。但飞马座51b近距离环绕母恒星，近得都要被烧焦了。对此的唯一合理解释是，飞马座51b当初可能在远离母恒星的区域形成，后来由于某种原因被拉到了靠近母恒星的轨道。科学家开始将这颗行星称为“热木星”，并普遍认为它只是一个特例。但在接下来的一年里，科学家又发现了两颗热木星。迄今为止发现的热木星已达数百颗。随着科技太阳系中的行星并不像钟表那样精准运行，位移和碰撞是太阳系的“家常便饭”。因为飞马座51b的轨道过于靠近其母恒星，所以科学家猜测它形成于更远的轨道。

躁动的太阳系孕育行星

在相对准确模拟新生太阳系的新模型中，行星的位置移动很平常。难点是如何让行星处在稳定轨道上。由哈勃太空望远镜等设备传回的数据可以看出，在新生星系中所有幼年行星最初都呈现为一团气体尘埃漩涡，行星最终就诞生于这团被称为原行星盘的物质中：在起初的几百万年里行星不过是没有成形的碎片，不停旋转的原行星盘将形成一个波纹样的密集物质集中区，碎片在这个区域内来回移动、碰撞、融合……原行星盘质量可达最终成形行星的1000倍，可推着行星移动很远，因此，科学家意识到早期太阳系堪称乱撞的碰碰车。该理论可轻松解释困扰了科学家很久的诸多难题：火星为什么这么小？小行星带是怎么形成的？为什么地球的实际化学构成与模型预测结果大相径庭……太阳系形成过程中的各个阶段（示意图）。的进步和研究的深入，热木星数量无疑还会刷新。一些行星的运行轨道很扁，还有些行星甚至绕恒星反向运转，只有行星轨道迁移学说才能解释这些不可思议的现象。

木星躁动“碰碰车理论”重新诠释了地球和太阳系其他行星形成过程。今天，木星到太阳的平均距离为地球到太阳距离的5.2倍，公转周期为11.8个地球年。根据科学家的新解释，木星诞生于更远离太阳的系内空间。木星可能形成于太阳系诞生后500万年内，再经过一系列巨大碰撞和来回迁移，木星才停留在今天的轨道上。

科学家用计算机

模拟了木星形成过程：首先，木星被巨大质量的原行星盘拖到今天火星轨道所在位置，大概是1.5倍日地距离；接着，木星朝着远日方向迁移，所到达的位置比木星现在的位置还远；最后，在新形成的土星的引力影响下，木星被迅速拉回一段距离，最终停在今天的木星轨道上。整个过程或耗时500万年，在太阳系的历史中只是转瞬一刻。如此巨大的天体——木星竟然在太阳系内来回迁移，将太阳系搞得一团糟。木星迁移过程就像滚雪球，横扫路径上一切天体。幸运的是，在木星如此移动时地球还不存在，否则地球就已坠进太阳，或成为黑暗宇宙中的碎片了。木星对人类居住的内太阳系的影响是间接的：木星冲进冰陨石和小行星密集的空间，将富含水分的物质向两边推开，这些物质最终被成长的地球接纳。也就是说，现在地球上大多数水的存在是木星迁移的结果。木星轨道的迁移重塑了太阳系的方方面面：清扫了原始小行星带，改变了彗星带的分布，帮助形成了其他天体，也限制了火星成长。火星因此成为一颗寒冷、没有大气的星球——如果火星曾经诞生过生命，那就太倒霉了。

有关太阳系形成的最新理论拓展了我们对太阳系行星形成机制的认识。木星这样的气态巨行星在太阳系内的迁移过程会造成难以想象的破坏。由于木星的巨大引力，许多本来会撞向地球的小行星改道撞向木星。地球能够孕育生命，也要归功于这段躁动的太阳系历史。