天文太空

太陽系的狂亂青春

天文學家從系外行星獲得啟發,太陽系誕生過程可能更戲劇化,包括四處流浪的行星,以及毫不留情的撞擊與毀滅。

撰文/貝提金(Konstantin Batygin)、勞夫林(Gregory Laughlin)、 莫爾比代利(Alessandro Morbidelli)
翻譯/甘錫安

天文太空

太陽系的狂亂青春

天文學家從系外行星獲得啟發,太陽系誕生過程可能更戲劇化,包括四處流浪的行星,以及毫不留情的撞擊與毀滅。

撰文/貝提金(Konstantin Batygin)、勞夫林(Gregory Laughlin)、 莫爾比代利(Alessandro Morbidelli)
翻譯/甘錫安


經過多年的反覆傳誦,我們已經非常熟悉太陽系誕生的故事。數十億年前,尚未成形的太陽系仍是一團緩緩旋轉的烏黑氣體和塵埃。後來這團物質開始塌縮,核心部份形成太陽。一段時間之後,八大行星和小如冥王星的天體逐漸從繞著太陽旋轉的剩餘氣體和碎屑中誕生。太陽和八大行星自此開始在太空中運行,如時鐘般規律又易於預測。

近年來,天文學家卻觀察到一些蛛絲馬跡,足以推翻這個眾所周知的說法。比起其他數千個新發現的太陽系外的行星系統,太陽系有許多不尋常的特徵,包括內側是固態行星、外圍是氣態巨行星,以及水星內側沒有其他行星等。借助電腦模擬,我們逐漸了解太陽系的這些特徵都源自動盪不安的形成初期。那些不尋常的特徵以及形成過程中的劇變和混亂,都超乎我們預期。

太陽系誕生故事的新情節包括了行星被迫離開誕生地四處流浪、迷途行星墜入太陽毀滅,以及孤獨巨行星被拋入冰冷黑暗的近星際空間。天文學家研究這些古老事件和其可能留下的痕跡(例如最近提出的第九行星假說,也就是冥王星軌道之外的區域可能還有尚未發現的行星),除了對太陽系重要的形成時期逐步拼湊出新圖像,也對太陽系身處的宇宙環境有了新認識。


太陽系誕生的古典模型

行星是恆星形成過程的副產物,恆星在巨大分子雲(giant molecular cloud)的核心形成,這片分子雲的質量可能高達太陽的一萬倍。密度極大的稠密核區域可能會自行塌縮,形成中心發光的原恆星,周圍環繞一圈不透明的氣體與塵埃,稱為原行星盤(protoplanetary disk)。

數十年來,天文學家一直希望透過太陽的原行星盤,解釋太陽系為何同時具有固態行星和氣態行星兩種截然不同的行星。四顆類地行星的公轉週期介於水星的88個地球日和火星的687個地球日之間,相反地,目前已知的氣態巨行星則位於距離太陽相當遠的軌道,公轉週期介於12~165個地球年,質量則比類地行星還要大150倍以上。

天文學家原本認為這兩類行星的形成過程十分相似。在這類過程中,塵埃微粒在騷動不安的氣體盤內不斷旋轉,互相碰撞並聚集在一起,形成直徑數公里的微行星(planetesimal),狀況類似廚房地板久未打掃:灰塵在氣流和靜電力作用下形成灰塵團。微行星越大,重力越強,在軌道上運行時不斷吸引周圍的碎屑而越變越大。自塵埃雲塌縮後約100萬年,太陽系的原行星盤和宇宙中其他原行星盤一樣,充滿了大小與月球相仿的行星胚胎。

其中最大的胚胎位於現今的小行星帶以外。這裡距離剛形成的太陽較遠,因此原行星盤中的冰不受太陽的光和熱影響,可以繼續存在。在這條「雪線」外的行星胚胎可繼續吞噬大量的冰,因此變得非常龐大。在「富者更富」的情況下,最大的行星胚胎重力較強,很快便吸去原行星盤內鄰近區域大部份的冰、氣體和塵埃,因此成長最快。僅僅約100萬年,這個貪得無厭的胚胎就長成木星。理論天文學家認為,此時是太陽系出現兩類相異結構的重要時刻。木星的成長速度超越太陽系中其他巨行星,必須在木星吞噬所有周圍物質後,其他巨行星才能吸引氣體、增強重力,因此只能形成較小的行星。太陽系內側的行星誕生在雪線以內,而原行星盤此區域所含的氣體和冰較少,所以體積更小。

除了火星和水星這類極小行星的棘手細節,「木星搶先」的說法似乎已可完整解釋太陽系的結構。環繞其他恆星的系統應該也會符合這項理論:氣態巨行星將出現在雪線之外、公轉週期極長的軌道,固態行星則散佈在公轉週期僅數個地球年的軌道上。然而,這些說法其實不正確。


系外行星現身,引發理論革命

20多年前天文學家開始發現系外行星時,也把太陽系形成理論套用在星系尺度加以驗證。最初發現許多系外行星都是「熱木星」,也就是繞其恆星運行、公轉週期僅數個地球日的氣態巨行星。它們是如此接近其恆星表面這類沒有冰的地方,完全違反以往的行星形成理論。為了解決這個矛盾,理論學家認為這些行星應該先誕生在距離恆星較遠的地方,後來才移動到現在的位置。

此外,依據例如美國航太總署(NASA)克卜勒任務所蒐集的數千顆系外行星資料,天文學家推論類似太陽系的系統其實比較少見,這個結論卻令人困惑。一般行星系統包括至少一顆超級地球(比地球大數倍的行星),公轉週期大多短於100個地球日。相反地,類似木星和土星的巨行星質量僅約為恆星的10%或甚至更小,運行軌道穩定而且接近圓形。

天文學家的期待落空,他們還需要更多證據才能完整解釋古典太陽系形成理論的「少數麻煩細節」。與其他行星系統相比,太陽系內側區域為什麼如此空曠、只有小小的固態行星而沒有超級地球?為何在水星公轉軌道內完全沒有其他行星?巨行星的運行軌道為何如此穩定又分散?

天文學家目前可用原行星盤的流體變動性,來解釋上述古典行星形成理論無法回答的疑問。剛剛誕生的行星就像海上的救生艇,往往會漂到很遠的地方。行星變得更大後,重力引起原行星盤螺旋形的波動,對行星和原行星盤產生強大的各種正、負回饋。同時也發生不可逆的動量和能量交換,使剛誕生的行星在原行星盤內開始遷移。

一旦考慮到行星的遷移過程,行星盤內的雪線就不再是解釋行星系統結構的單一要素。舉例來說,誕生在雪線外的巨行星可能與氣體和塵埃一起繞行恆星,並同時向內側遷移變成熱木星。問題是這種說法太過完美,似乎所有原行星盤都具有這種特性。那麼我們又該如何解釋木星和土星都距離太陽如此遙遠?

大航向

2001年,英國倫敦瑪麗王后大學的麥瑟(Frederic Masset)和史奈爾葛洛夫(Mark Snellgrove)進行的電腦模擬提供了可靠的初步線索。麥瑟和史奈爾葛洛夫建立了木星和土星同時在太陽系原行星盤中演化的模型。土星的質量較小,向內遷移速率比木星快,隨著時間,兩顆行星的距離也會越來越近。最後木星和土星的軌道構成所謂的「平均運動共振」。在這樣的軌道共振中,土星繞行太陽兩次時,木星則繞行太陽三次。

產生平均運動共振的兩顆行星可交換動量和能量,就像行星間在玩拋接球遊戲一樣。由於共振擾動具有同調性,所以兩顆行星施加的重力對彼此和周遭的影響會變得更大。以木星和土星而言,透過交互作用可把自身質量施加在原行星盤上,在其中清理出巨大的軌道空隙,木星在內、土星在外。此時由於木星質量較大,所以重力對原行星盤內側的影響大於土星對外側的影響。這會使它們逆向運行,開始遠離太陽。這種先內後外的運行方式很像帆船為了迎風航行改變航向,因此通常稱為「大航向」(the Grand Tack)。

大航向的初步概念提出後10年,2011年當時任職法國蔚藍海岸天文台的華爾希(Kevin J. Walsh)等人證明,大航向不僅完整解釋木星和土星過往的動態過程,也說明岩石和冰質小行星的分佈,以及火星質量為何如此之小。木星向內側遷移時,其重力帶動路徑上的微行星,猶如推土機把土鏟起並向前推擠。假設木星曾經移動到現今的火星軌道,再回到現在的位置,則木星可能把接近地球質量10倍的冰推到地球附近,使地球獲得水和其他揮發性物質。這個過程可能也為原行星盤內側的行星劃出與外側巨行星明確的界線,使鄰近的行星胚胎不再生長,從而形成現在的火星。