木星形成后不久，它隨著旋轉(zhuǎn)的氣體流動(dòng)，被慢慢拉向太陽(yáng)。土星也被拉進(jìn)來(lái)，當(dāng)兩顆巨行星相互靠近，它們的命運(yùn)就變得緊密相連了。當(dāng)木星到達(dá)火星現(xiàn)在的位置時(shí)，它們掉入太陽(yáng)的死亡螺旋停止了，之后這對(duì)巨行星轉(zhuǎn)向移動(dòng)并離太陽(yáng)越來(lái)越遠(yuǎn)。開(kāi)發(fā)這種早期太陽(yáng)系模型的研究人員將其稱為“大遷徙假說(shuō)（Grand Tack）”。

Credit: NASA/GSFC

長(zhǎng)期以來(lái)，木星一直是我們太陽(yáng)的第五顆行星，但是它年輕時(shí)可是個(gè)流浪者。在很久以前，這顆巨行星朝著太陽(yáng)系中心移動(dòng)，之后又向外遷徙，一度到達(dá)現(xiàn)在火星的位置。木星的旅程深深地影響了太陽(yáng)系，改變了小行星帶的性質(zhì)，使火星變得比它應(yīng)該的更小。這些細(xì)節(jié)基于由國(guó)際團(tuán)隊(duì)（包括位于馬里蘭州格林貝爾特的NASA戈達(dá)德太空飛行中心）開(kāi)發(fā)的早期太陽(yáng)系的模型。研究結(jié)果在一篇2011年6月5日發(fā)表在《自然》的論文中報(bào)道。

“我們將木星的路徑稱為‘大遷徙假說(shuō)（Grand Tack）’，因?yàn)檫@項(xiàng)研究的主題是木星向太陽(yáng)移動(dòng)，然后停止，轉(zhuǎn)身，向外遷移，”該論文的第一作者、西南研究所（Southwest Research Institute，位于科羅拉多州博爾德市）的Kevin Walsh說(shuō)，“這種方向的變化就像帆船在浮標(biāo)繞半圈返航一樣（注：帆船這種操作的動(dòng)詞稱為‘tack’）?！?/p>

根據(jù)新模型，木星在大約3.5個(gè)天文單位（注：1個(gè)天文單位，即1AU，是一個(gè)平均日地距離）的區(qū)域形成。因?yàn)楫?dāng)時(shí)大量的氣體仍在太陽(yáng)周圍旋轉(zhuǎn)，這顆巨大的行星被氣體所吸引并拉向太陽(yáng)。木星慢慢地向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，直到它停在大約1.5個(gè)天文單位的距離，大約是火星現(xiàn)在的位置（當(dāng)時(shí)火星還不存在）。

“我們推測(cè)木星停止向太陽(yáng)移動(dòng)是因?yàn)橥列?，”NASA戈達(dá)德的行星科學(xué)家、該論文的共同作者Avi Mandell說(shuō)。其他合著者有法國(guó)尼斯的天文臺(tái)（Aservandire de la Cote d'Azur）的Alessandro Morbidelli、法國(guó)波爾多天文臺(tái)（Observatoire de Bordeaux）的Sean Raymond、和行星科學(xué)研究所（Planetary Science Institute，位于亞利桑那州圖森）的David O'Brien。

像木星一樣，土星在形成后不久就也被引向太陽(yáng)。該模型認(rèn)為，一旦兩顆巨行星相互靠近，它們的命運(yùn)就會(huì)永久地聯(lián)系在一起。漸漸地，兩個(gè)行星之間的所有氣體被驅(qū)逐出去，使它們向太陽(yáng)的死亡螺旋停止，并最終逆轉(zhuǎn)它們的運(yùn)動(dòng)方向。這兩顆行星一起向外行進(jìn)，直到木星達(dá)到當(dāng)前位置的5.2AU，土星則停留在大約7AU。（后來(lái)，其他力將土星推向了9.5AU，到達(dá)它今天的位置。）

這趟“旅行”花費(fèi)了數(shù)十萬(wàn)到數(shù)百萬(wàn)年，影響非凡。

在藝術(shù)家的概念圖中，氣體和塵埃（制造行星的原材料）圍繞著一顆年輕的恒星旋轉(zhuǎn)。我們太陽(yáng)系的行星形成于太陽(yáng)周圍類似的氣體和塵埃盤。

Credit: NASA/JPL-Caltech

木星的足跡

Mandell說(shuō)：“木星的遷入遷出可以解決小行星帶的長(zhǎng)期謎團(tuán)：為什么它由干燥的巖石小天體和含冰小天體組成?！?/p>

天文學(xué)家認(rèn)為小行星帶的存在是因?yàn)槟拘堑囊ψ柚沽四抢锏膸r石材料聚集在一起形成一顆行星，所以該區(qū)域仍是一個(gè)松散的材料集合。一些科學(xué)家此前曾考慮過(guò)木星在某些時(shí)候可能會(huì)靠近太陽(yáng)的可能性，但這導(dǎo)致了一個(gè)主要問(wèn)題：如果這樣，木星會(huì)將小行星帶中的物質(zhì)打散，小行星帶將不復(fù)存在。

“很長(zhǎng)一段時(shí)間，這個(gè)想法限制了我們想象中木星可能的活動(dòng)，”Walsh指出。

大遷徙假說(shuō)不是讓木星在向太陽(yáng)移動(dòng)時(shí)摧毀小行星帶，而是說(shuō)木星擾亂物體并將整個(gè)區(qū)域推得更遠(yuǎn)。 “木星的遷移過(guò)程緩慢，”Mandell解釋說(shuō)，“所以當(dāng)它接近小行星帶時(shí)，這不是一次猛烈的碰撞，而是更像緩慢的互繞步（do-si-do），木星會(huì)使小天體偏轉(zhuǎn)，最后基本上會(huì)與小行星帶轉(zhuǎn)換位置。 “

同樣地，當(dāng)木星遠(yuǎn)離太陽(yáng)時(shí)，行星將小行星帶向內(nèi)推，使它到達(dá)我們熟悉的位置（火星和木星軌道之間）。而且因?yàn)槟拘潜戎白叩酶h(yuǎn)，到達(dá)了存在含冰物質(zhì)的區(qū)域，巨大的行星使這些含冰小天體偏向太陽(yáng)并進(jìn)入小行星帶。

“最終結(jié)果是，小行星帶中有來(lái)自內(nèi)太陽(yáng)系的巖石物體和來(lái)自外太陽(yáng)系的含冰物體，”Walsh說(shuō)， “我們的模型與不同材料的物質(zhì)所應(yīng)在的位置一致，就像我們今天在小行星帶看到的那樣?！?/p>

可憐的火星

木星在內(nèi)太陽(yáng)系流浪時(shí)產(chǎn)生了另一個(gè)重要影響：它的存在使得火星比本應(yīng)形成的更小。 “為什么火星如此之小一直是我們太陽(yáng)系形成中無(wú)法解決的問(wèn)題，”Mandell說(shuō)道，“這是團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)太陽(yáng)系形成新模型的最初動(dòng)力?！?/p>

由于火星形成于比金星和地球更遠(yuǎn)的位置，它可以吸引來(lái)更多的原材料（原因請(qǐng)看注釋），應(yīng)該比金星和地球更大；但是，它反而更小。 “對(duì)于行星科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這根本說(shuō)不通，”Mandell補(bǔ)充道。

但是，如果正如大遷徙假說(shuō)所表示的那樣，木星在內(nèi)太陽(yáng)系中溜達(dá)了一段時(shí)間，它就會(huì)分散一些可用于制造行星的材料。大約1AU外大部分材料都會(huì)被木星打散，只留給1.5AU處的火星一些微薄的原料。然而，地球和金星并不受影響，它們?nèi)匀辉诓牧县S富的區(qū)域形成。

“憑借大遷徙假說(shuō)，我們開(kāi)始著手解釋火星的形成；同時(shí)，我們不得不考慮小行星帶，”Walsh說(shuō)，“令我們驚訝的是，該模型對(duì)小行星帶的解釋成為最好的結(jié)果之一，并幫助我們比以前更好地了解它。”

另一個(gè)意外收獲是，新模型將木星、土星和其他巨行星置于與“尼斯模型（Nice model）”非常吻合的位置，這是一個(gè)相對(duì)較新的理論，可以解釋太陽(yáng)系歷史中這些大行星的運(yùn)動(dòng)。

大遷徙假說(shuō)也使我們的太陽(yáng)系與迄今為止發(fā)現(xiàn)的其他行星系統(tǒng)非常相似。在許多情況下，被稱為“熱木星（hot Jupiters）”的巨大的氣體巨行星離它們的主星非常近（注：一般只有0.015-0.5AU，而木星軌道半徑約為5AU），比水星離太陽(yáng)更近。對(duì)于行星科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這種新發(fā)現(xiàn)的相似令人感到欣慰。

Walsh說(shuō)：“知道我們自己的行星在過(guò)去經(jīng)常移動(dòng)，使太陽(yáng)系比我們之前以為的更像我們的鄰居，我們不再是一個(gè)異類了。”

譯者注釋：

1. 關(guān)于太陽(yáng)系的形成

星系形成始于冷分子云（基本上是氫分子的集合），它們溫度低密度大，通過(guò)重力會(huì)吸引氣體、顆粒等物質(zhì)過(guò)來(lái)。隨著越來(lái)越多的“原料”加入，這些物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生凈旋轉(zhuǎn)、形成圓盤來(lái)吸積更多物質(zhì)。新來(lái)物質(zhì)的勢(shì)能變成里面氣體的動(dòng)能，越來(lái)越多碰撞產(chǎn)生熱，當(dāng)中心溫度和密度升到足夠高的時(shí)候，恒星就形成了。絕大多數(shù)材料都被新誕生的恒星吃掉了，圓盤上的剩余物變成行星、小行星等。而離太陽(yáng)的遠(yuǎn)近決定了什么物質(zhì)可以在對(duì)應(yīng)的溫度下凝結(jié)、從而成為構(gòu)成小天體的材料。

在離太陽(yáng)近的位置，溫度相對(duì)較高，只有比較重的元素可以凝結(jié)；而隨著離太陽(yáng)越來(lái)越遠(yuǎn)，溫度降到約300K以下，“冰（ices，可理解為氫化合物的固態(tài)形式）”也會(huì)參與到構(gòu)成行星的活動(dòng)中來(lái)，同時(shí)低溫度也使這些行星可以用重力捕捉到氫、氦這種很輕的氣體（為什么請(qǐng)看2），所以在離太陽(yáng)遠(yuǎn)的地方，有更多“行星原材料”。這就是為什么太陽(yáng)系的前四顆都是密度大、體積小、質(zhì)量小的巖石行星，而后四顆氣態(tài)行星的體積和質(zhì)量都很大。

2.為什么地球上氫氣很少？  

我們知道氫、氦是宇宙中最充足的正常物質(zhì)（按質(zhì)量分別占74%和24%），它們也是氣態(tài)行星的主要成分，那為什么地球上的氫如此少？地球離太陽(yáng)較近，溫度高，氫分子運(yùn)動(dòng)的速度很快，很輕易就可以逃離地球的引力。相反，像木星這樣的巨型氣態(tài)星球就可以輕松捕捉氫，因?yàn)樗诘奈恢脺囟鹊停瑲錈o(wú)法逃離木星的引力。

3.木星質(zhì)量在天文學(xué)中的意義

木星質(zhì)量（Jupiter mass，符號(hào)是MJ）是主要用于量度行星、褐矮星（質(zhì)量位于行星和恒星之間）質(zhì)量的單位，一個(gè)木星質(zhì)量（1MJ）是1.90×10^27 kg，不到千分之一太陽(yáng)質(zhì)量（Solar mass，符號(hào)是M☉，常用于度量宇宙中其它東西的質(zhì)量，包括恒星、星系、黑洞等等）?！?5MJ (0.08M☉）是恒星質(zhì)量的下限，即低于這個(gè)質(zhì)量溫度則無(wú)法高到點(diǎn)燃核聚變，無(wú)法成為恒星。順帶提一下，～100M☉是恒星質(zhì)量的上限，高于這個(gè)質(zhì)量恒星將無(wú)法克服自身的重力，難免塌縮的命運(yùn)。

參見(jiàn)

[1]:https://www./topics/solarsystem/features/young-jupiter.html