人類曾經(jīng)認(rèn)為地球是宇宙的中心,天上的日月星辰都在圍繞著地球運(yùn)行,后來(lái)人類才發(fā)現(xiàn),原來(lái)地球只是太陽(yáng)中的一顆行星,而在浩瀚的宇宙中,太陽(yáng)也只是一顆不起眼的恒星,再后來(lái),人類又發(fā)現(xiàn)宇宙中的恒星普遍都有自己的行星系統(tǒng),于是人們就理所當(dāng)然地認(rèn)為,太陽(yáng)系在宇宙中也應(yīng)該是平平無(wú)奇的。 然而隨著觀測(cè)水平的不斷提升,人類發(fā)現(xiàn)的系外行星也越來(lái)越多,在研究了大量的系外行星后,科學(xué)家卻逐漸發(fā)現(xiàn),與其他的行星系統(tǒng)相比,太陽(yáng)系這種組合非常稀有,其稀有程度堪稱是在宇宙中萬(wàn)里挑一。為什么這么說(shuō)呢?這是因?yàn)樘?yáng)系有三個(gè)與眾不同的特點(diǎn)。 第一個(gè)特點(diǎn)是,太陽(yáng)系中的行星質(zhì)量差異太大。在太陽(yáng)系八大行星之中,除了地球與金星、以及天王星和海王星的質(zhì)量比較接近之外,其余相鄰的行星之間的質(zhì)量差異都很大,尤其是木星,其質(zhì)量之龐大,以至于它的質(zhì)量,大概是其他的7顆行星的質(zhì)量之和的2.5倍之多。 而其他的行星系統(tǒng)的情況卻大不相同,已知的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明,擁有多顆行星的行星系統(tǒng)之中,行星的質(zhì)量分布普遍都比較均勻,相鄰的行星,特別是相鄰的同類型的行星,其質(zhì)量差異普遍都相差不大。 第二個(gè)特點(diǎn)是,太陽(yáng)系中的行星分布得太過(guò)分散。在太陽(yáng)系中,僅僅是距離太陽(yáng)第四近的行星——火星,其公轉(zhuǎn)軌道半長(zhǎng)軸就有1.52個(gè)天文單位,而距離太陽(yáng)最遠(yuǎn)的行星——海王星,其公轉(zhuǎn)半長(zhǎng)軸更是高達(dá)30.07個(gè)天文單位。 (注:“天文單位”是天文學(xué)中用來(lái)計(jì)量天體距離的一種單位,其數(shù)值取地球和太陽(yáng)的平均距離,大約為1.5億公里) 相對(duì)而言,在其他的行星系統(tǒng)之中,行星之間的距離卻要近很多,往往在距離主恒星零點(diǎn)幾個(gè)天文單位之內(nèi),就運(yùn)行著四五顆行星,甚至更多。 (↑圖為部分已知的多行星系統(tǒng),底部的“AU”即天文單位,可以看到,與太陽(yáng)系中的行星相比,這些系外行星的分布顯得非常“緊湊”) 第三個(gè)特點(diǎn)是,太陽(yáng)系中的巖石行星太小。相信大家聽(tīng)說(shuō)過(guò)“超級(jí)地球”,簡(jiǎn)單來(lái)講,所謂超級(jí)地球,就是指比地球更大的巖石行星。觀測(cè)數(shù)據(jù)表明,在已知的系外行星之中,超級(jí)地球所占的比例達(dá)到了30%左右,而與地球差不多大,或者比地球更小的巖石行星卻很少,而我們都知道,太陽(yáng)系中最大的巖石行星,其實(shí)就是地球…… (↑圖為已確認(rèn)的系外行星,其中的“Neptune-like”、“Gas Giant”、“Super Earth”、“Terrestrial”、“Unknown”分別是:與海王星類似的冰巨星、氣態(tài)行星、超級(jí)地球、與地球差不多大或比地球更小的巖石行星、未知類型的行星) 正是因?yàn)檫@三個(gè)特點(diǎn),使得太陽(yáng)系這種組合非常稀有,但問(wèn)題是,為什么會(huì)這樣呢?對(duì)此,科學(xué)家提出了多種假說(shuō),其中一種被稱為“大遷徙假說(shuō)”(Grand tack hypothesis)的理論得到了較高的認(rèn)同。 該理論可以簡(jiǎn)單地概括為,在太陽(yáng)系的早期階段,木星經(jīng)歷了一個(gè)遷徙過(guò)程,即:木星在最初形成后,曾向太陽(yáng)系內(nèi)側(cè)遷徙,隨后,木星又與土星形成了一種特殊的軌道共振(“內(nèi)林德布拉德共振”,inner Lindblad resonance),由于這種軌道共振會(huì)使行星的公轉(zhuǎn)速度增加,因此木星就停止了向內(nèi)遷徙,并開(kāi)始與土星一起向太陽(yáng)系外側(cè)反向遷移,直到越過(guò)了它初始形成位置之后,它才在太陽(yáng)引力的作用下穩(wěn)定下來(lái)(如下圖所示)。 根據(jù)“大遷徙假說(shuō)”,木星的這個(gè)遷徙過(guò)程對(duì)太陽(yáng)系產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響,一方面來(lái)講,木星吸收了大量本該屬于其他行星的物質(zhì),進(jìn)而造成了太陽(yáng)系中的行星質(zhì)量的差異,也使得太陽(yáng)系內(nèi)側(cè)沒(méi)有足夠的物質(zhì)形成超級(jí)地球,另一方面來(lái)講,在木星和土星向太陽(yáng)系外側(cè)反向遷移的過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的引力作用,這會(huì)帶動(dòng)其他行星運(yùn)行軌道隨之外擴(kuò),進(jìn)而大幅拉開(kāi)了太陽(yáng)系各大行星之間的距離。 |
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