太陽系是“非正常”恒星系？

石之磊

很久很久以前，太陽系中有四顆小的巖石質行星，分別叫水星、金星、地球和火星，還有四顆大的氣態行星：木星、土星、天王星和海王星。四顆巖石質行星靠近太陽，因為那里非常熱，其他東西都蒸發掉了，只剩下耐熱的巖石。在更遠的地方，氣溫低，周圍又有大量的冰，所以那里的行星能長成氣態的巨行星。

直到最近，關于我們太陽系形成的主流故事都是這么說的;而且天文學家認為，任何恒星系都會是這樣形成的。

但是，當我們在銀河系其他地方發現大量的恒星系時，竟然沒有一個看起來像太陽系的！有跟母恒星靠得很近的氣態巨行星，有夾在兩顆氣態巨行星之間的巖石質行星……總之，關于在什么位置上出現什么樣的行星，根本沒有定規，什么都有可能。

起初，我們還把這些系外行星視為非正常的特例，但在有了成千的例子之后，我們不得不承認：“非正常”的可能恰恰是我們自己的太陽系！

行星的形成是一個動態過程

1990年代，當第一批系外行星被發現時，我們的太陽系看起來就已經顯得有些另類。這些系外行星都是氣態巨行星，跟母恒星靠得很近，公轉周期只有幾天。天文學上稱它們為“熱木星”。

它們顯然是出現在了錯誤的位置上。行星是由一顆年輕恒星周圍的氣體塵埃盤（叫原行星盤）形成的。要形成一顆氣態巨行星，你首先需要一個數倍于地球質量的固體核作為引力中心，氣體可以在其周圍積聚。其次，形成地點不能太靠近恒星，否則強烈的輻射會使塵埃和氣體蒸發。

所以，按以太陽系為標準的恒星系形成理論，這些熱木星不可能誕生于它們現在所在的地方，那么剩下的一個選擇是：它們一定是在其他地方形成，然后遷移到現今位置的。

它們是如何遷移的呢？理論家很快想出了一個答案：行星在成長過程中，由于它與原行星盤物質的摩擦或碰撞，有時會使它失去平衡，導致向內或向外做螺旋式的遷移。

這就是說，行星的形成是一個動態過程，而不是我們原先設想的那樣，所有行星都誕生于它現在所在的地方，并一直停留在那里。

大逆航。四顆巨行星在60萬年的時間里，通過原行星盤的遷移。距離以天文單位（AU）標記。在1 AU處（現在地球所在的軌道）的小行星帶后來凝聚成了四顆巖石質行星。

這種動態過程有助于解釋我們觀察到的系外行星的怪異現象：像HD 37605 b這樣一顆接近其母恒星的氣態巨行星，它所遵循的是極扁的橢圓軌道，而不是通常的近圓軌道;還有開普勒-20，其中兩顆地球大小的行星在三顆巨行星之間穿梭;還有開普勒-90，它的八顆行星圍繞著一顆類似太陽的母恒星運動，但所有行星都被擠到了比日地距離還近的軌道范圍以內。

太陽系的形成也不是靜態的

那么，有什么證據證明太陽系的形成也是動態的呢？首先，讓我們來看看先前理論的漏洞。

根據以前的說法，一顆行星離太陽越遠，形成它的固體物質就越多，它也應該越大。然而，超過一定程度，隨著物質的密度開始下降，行星應該再次變小。

考察我們的太陽系，天王星和海王星這兩顆冰質巨行星，雖然它們確實比木星和土星這兩顆更靠近太陽的巨行星小得多，但仍然顯得太大，之前的理論無法解釋它們是如何形成現在這個樣子的。

一個新的行星遷移理論為此提供了一個解決方案。這個理論說，所有這四顆巨行星最初誕生時都彼此離得較近，所以它們的塊頭都差不多大，后來在引力作用下，才各自遷移到了目前的位置上。

除了解釋天王星和海王星的大小之外，由巨行星遷移引起的不穩定會席卷早期的太陽系，導致小行星紛紛墜向太陽，有一些可能被沿途的行星和衛星捕獲。這就解釋了為什么月球表面遭受到那么多隕石的轟擊。這還可以解釋木星是如何獲得“特洛伊”小行星——這是兩群小行星，分別位于木星軌道前方和后方，與木星共用軌道，一起繞著太陽運行，總共大約有1萬顆。

在我們的太陽系，還有一個令人困惑的現象。太陽系有像地球這樣的小型巖石質行星，也有像海王星這樣17倍地球質量以及比它還大的巨行星，但介于兩者之間，中等大小的行星卻一個都沒有。難道它們不易形成嗎？可是放眼其他恒星系統，這些中等大小的家伙很多，構成了我們所知的一半以上的系外行星。那么，為什么它們在太陽系偏偏不見蹤影呢？

再一次，行星遷移理論可以做出合理的解釋。如果木星在某個時候向內遷移，在遷移途中一路吞噬物質，搶奪了本來用于其他行星形成的部分資源，那么剩余物質就不足以形成中等大小的行星了。這也解釋了為什么火星小得奇怪，只有地球質量的十分之一。

太陽系真的與眾不同嗎？

按照行星遷移理論，如果不加控制，木星會把水星、金星、地球推向更靠近太陽的地方，同時自己也會變成一顆熱木星。

這一切之所以沒有發生，可能正是太陽系跟其他恒星系不同的地方。因為我們的太陽系不是只有一個，而是有兩個超級“巨人”——除了木星，另一個是土星。正是這一點拯救了我們。土星的質量約為木星的80%，這意味著它的引力對木星是一個很大的牽制。當木星往內遷移時，土星也跟著向內遷移，而且由于它的質量小，比木星還快。隨著它們越來越近，兩者被“鎖定”在一塊，產生共振，這使它們的遷移速度減慢，甚至最后逆轉過來，土星牽引著木星往外遷移。

這種情況被稱為“大逆航”。雖然造成“大逆航”的原因是什么，我們并沒有充分研究清楚，但在動力學上是可能的。通過“大逆航”，木星和土星遷移到了現今的位置。“大逆航”在其他恒星系甚少發生，這可能也是太陽系“非正常”的一個原因。

不過，太陽系的“非正常”也可能是個假象。在系外行星中我們之所以發現更多的是熱木星，可能與我們的探測技術有關。因為目前探測系外行星的方法主要有兩種，一種叫“徑向速度法”，即通過探測母恒星受行星引力影響而產生的輕微擺動來發現系外行星。另一種叫“凌星法”，通過探測行星掠過母恒星表面時引起的恒星亮度的變化來發現系外行星。兩種探測技術顯然都是行星越大，越靠近母恒星，越容易被探測到，所以更有利于發現非常接近其母恒星的大型行星（即熱木星），而不利于發現接近其母恒星的巖石質行星或者遠離其母恒星，像在太陽系木星位置上的巨行星。

如此看來，為了解太陽系的形成，弄清楚它是不是一個“非正常”恒星系，我們還有很多工作要做。

值得慶幸的是，新計劃已經在緊鑼密鼓的安排之中。歐洲航天局的“蓋亞任務”和歐洲南方天文臺的甚大望遠鏡都將以不同的方式尋找系外行星。歐洲航天局計劃2026年發射的柏拉圖太空望遠鏡是開普勒太空望遠鏡的后繼者，計劃中已被優先安排在類太陽恒星系搜索系外行星。

同時，我們也希望對自己的太陽系有更多的了解。美國宇航局的“露西任務”目前正在前往木星“特洛伊”小行星群的途中。在為期12年的任務中，它將第一次近距離觀察它們的特征。如果“特洛伊”小行星群真的是行星遷移的結果，那么它們的組成可能會為早期太陽系的動態提供重要線索。

拓展閱讀

當恒星系之間發生碰撞時

在早期的太陽系中，可能還有比行星遷移更具破壞性的力量在起作用。這是一些研究柯伊伯帶的天文學家得出的結論。柯伊伯帶是太陽系中由海王星以外可能超過10萬顆小行星組成的環形地帶。

柯伊伯帶本身被認為是早期太陽系中行星遷移的產物：一些在內太陽系形成的小行星，由于受行星遷移的擾動，被拋射到遠離太陽的地方，形成了柯伊伯帶。

按行星遷移理論，隨著我們向外走，柯伊伯帶的天體應該漸進式地減少。但天文學家看到的情況卻與之相反，在離開太陽大約50倍日地距離的地方，天體的數量出現斷崖式的下降。這種現象被稱為“柯伊伯崖”。還有像矮行星塞德娜這樣的柯伊伯帶天體，它們出現在極扁的橢圓軌道上，也違背了傳統解釋。

英國謝菲爾德大學的理查德·帕克認為他有一個答案。他是研究星團的科學家。星團是由很多密集的恒星組成的群體。這些恒星都是從同一團星際氣體中形成的。它們靠得很近，彼此影響。

他的基本想法是：恒星之間的引力可以把對方的行星拋來拋去，或者干擾這些行星所形成的原行星盤。最大的恒星甚至可以向鄰居恒星系輻射很強的紫外線，蒸發掉后者形成行星的原行星盤。所有這些都會對所產生的行星產生深遠的影響。

根據帕克的說法，我們的太陽是在一個星團中誕生的，與另一顆恒星的親密接觸把柯伊伯帶中較遠、較小的成員拉到了更遠的地方，同時也拉扁了其他較大天體的軌道。這種星團內部恒星之間的互動，也導致太陽從其誕生的星團中被彈射出來，這解釋了為什么現在太陽周圍沒有其他恒星伙伴。