四處漫遊的木星,是太陽系如此獨特的主因?

作者 | 發布日期 2015 年 03 月 28 日 0:00 | 分類 天文 , 自然科學
取自flickr

根據美國加州大學聖塔克魯茲分校(UC Santa Cruz)天文學家 Gregory Laughlin 和加州理工學院(California Institute of Technology)Konstantin Batygin 等人的最新研究:在太陽系早期,木星自誕生後至尚未抵達如今的軌道位置之前的這段期間,其行為就像「錘碎機(wrecking ball)」一樣,會摧毀太陽系中第一代產生的內行星。這項發現或許可以解釋為何我們的太陽系與近年來發現的數百個系外行星系統的情況如此不同。



銀河系內典型的行星系統似乎都有一組軌道週期短得嚇人的超級地球。與這些已知的行星系統相較之下,我們太陽系最有趣的特色之一就是在水星軌道以內沒有任何其他行星的存在,這讓太陽系成為眾行星系統中的怪胎。不僅如此,太陽系內側岩質的類地行星們,形成的時間居然比位在太陽系外側的氣態行星們還要晚, 彼時能用以建構行星的材料已經大幅減少了許多。

Laughlin 等人認為木星和土星的形成或許得對太陽系這個異常現象負責。2011 年時,曾有其他天文學家提出所謂的「大航向模型(Grand Tack)」,認為木星先向太陽系內側逐漸旋入,直到土星形成後,木星的遷徙軌跡才轉而朝向太陽系外側而去,直到它現今的穩定軌道為止。Batygin 於加州大學聖塔克魯茲分校就讀期間進行電腦數值模擬,看看比木星早形成且軌道相近的岩質行星們,在木星向太陽系內側旋入的過程中會發生什麼事。

天文館配圖

天文學家們相信:在那時,擁有濃厚大氣層的岩質行星會在比較靠近太陽、氣體塵埃比較稠密的地方形成,最後形成如同天文學家們在大多數系外行星系統中發現的典型超級地球一樣的行星。然而當木星旋入太陽系內側時,來自這顆巨行星的重力擾動橫掃整個太陽系內側,不僅影響了內側行星們,還有體積小的多的微行星和小行星們,讓這些天體的軌道非常接近、甚至重疊,導致一連串的碰撞事件,從而使這些第一代行星破裂毀滅。

這個情形與地球低軌衛星類似,只要有其中一個衛星被摧毀,則這個衛星的碎片會撞到另一個衛星使其受損破裂,而這個衛星的撞擊碎片又會去撞擊其他的衛星,最後便引起一連串的撞擊反應。

 

擁有固態表面與適中大氣壓力的行星非常稀少

木星造成的一連串第一代岩質行星的撞擊碎片,也會因受到太陽周圍仍很濃厚的氣體造成的強勁「頂頭風(headwind)」影響而逐漸旋入、落往太陽。這個過程就如同雪崩或土石流一樣,會將任何新近形成的超級地球一同拖往太陽,這些行星最終都被太陽吞沒而摧毀。至於較晚從殘餘物質中形成的第二代內側行星避開了這一波的連串撞擊事件而得以存活下來,如此一來就符合太陽系內側行星形成時間晚於外側行星的事實,而且也符合現存的內側行星們—水星、金星、地球和火星的質量比外側行星們—木星、土星、天王星和海王星都小很多,而且大氣層也比外側行星們薄許多等事實。

Laughlin 等人的研究結論之一,預測那些與地球非常近似的行星,即擁有固態表面與適中大氣壓力的行星,其實是非常稀少的。這個結論若為真,將讓我們的地球顯得更為彌足珍貴。

行星獵人們迄今已在銀河系中確認了上千顆系外行星,其中含有多顆行星的行星系統數量接近 500 個。從這些觀測資料中浮現的「典型」行星系統,大都是擁有數顆質量約地球數倍大且公轉軌道比水星近得多的超級地球;而在那些有著質量與木星相當的巨行星的系統中,這些巨行星也通常也比我們太陽系中的巨行星們還靠近它們的母恆星。這顯示太陽系中低質量兼薄大氣的岩質內側行星,可能是相當異常的情況。

根據 Laughlin 的說法:巨行星的數量並不多,但一旦它們真的形成後,通常會開始向行星系統內側遷移,最終停留在與地球軌道相當的位置上。只是,太陽系中有著土星,土星的形成將木星拉回外側軌道位置,使得水星、金星、地球和火星能形成並存活。因此,Laughlin 等人的另一個研究結論就是若行星系統中擁有軌道週期大於 100 天的巨行星,則這個行星系統就不可能存有多重軌道相近的行星。

這些天文學家開玩笑說:現在有愈來愈多的證據,證明木星真的曾發生過「大航向(Grand Tack)」過程,只不過對內側行星而言,這個過程可能更像「大侵襲(Grand Attack)罷了。

(本文由 台北天文館 授權轉載;首圖來源:Flickr/NASA Goddard Space Flight Center CC BY 2.0) 

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