跳跃的木星

路西

人类一直都在溯本求源，我们试图去了解生命的起源，弄清地球的构造和太阳系的形成。虽然太阳系看上去非常简单，但是当天文学家们试图研究出太阳系的产生时，他们还是遇到了一些难以解释的谜题。

为什么太阳系会是今天这个样子的？为什么系内的行星会来到它们今天所在的位置？天文学家们用计算机构建了许多的模型，来模拟太阳系的起源和演化，同时提出了很多假说来回答上述问题。

核心吸积理论

目前，天文学家们一致认为：46亿年前，太阳和它的行星诞生自一片星云中。星云由气体和尘埃组成，密度较大的气体和尘埃团会凭借引力从它周围的区域，把密度较小的物質聚集起来，最终星云的中心因为坍缩而形成了太阳。由气体和尘埃形成的不透明环围绕太阳伸展开来，被称为“原行星盘”。

早在1755年，德国哲学家伊曼努尔·康德就提出了上述的设想，后来的理论学家们一直在细化太阳系形成的细节，并将太阳系中行星的分布情况等考虑到其中。他们先是提出了一些解释行星形成的理论，比如核心吸积理论，即在太阳形成以后，静电使原行星盘中的颗粒聚集到一起形成了松散的组织，并最终成长为直径为几千米的微星体，然后在引力的作用下，微星体碰撞、结合，太阳的周围逐渐形成了行星，这些行星围绕太阳旋转。

核心吸积理论认为行星形成于它们今天所在的位置，吸积过程在不同的地点产生不同的结果。像地球一样的岩石行星（水星、火星、金星）被称为类地行星，因为它们和太阳的距离较小，易挥发的水和甲烷分子难以聚集，所以岩石行星主要由铁、镍等金属和金属化合物构成，类地行星的体积也比较小。体积巨大的气体行星被称为类木行星（木星、土星、天王星和海王星），它们的形成位置距太阳更远，温度更低，气体和冰都可以大量聚集。

但是，这种理论很难解释特洛伊小行星（与木星共用同一轨道运行的一大群小行星）和柯伊伯带的存在（海王星轨道外）。因此，现在天文学家普遍认为，行星形成的位置与现在所在的位置不同，它们经历了一系列的演化过程才到了现在的轨道。

尼斯模型

为此，天体学家都利用计算机模拟了天体的演化，它们都能或多或少地解释太阳系中的各种现象，其中，尼斯模型是近年最被广泛接受的太阳系早期演化模型。

在尼斯模型中，四颗类木行星的原始轨道接近圆形，并且和太阳的距离很近，彼此之间也很紧凑，它们处于一个充满小型岩石和冰的原行星盘中。当微行星与气体行星的相互作用时，微行星会向太阳系内散射，土星、海王星、天王星向太阳系边缘移动。向内散射的许多微行星陷入到木星的引力场中，成为特洛伊小行星。当天王星和海王星穿过外围的冰盘时，一些物质被抛向内部，撞向类地行星，其他的物质向外抛掷，形成柯伊伯带。

尼斯模型虽然较完美地契合了今天太阳系的模样，但是它却无法解释水星轨道问题。水星是距离太阳最近的行星，其公转轨道呈椭圆形，水星的轨道是所有太阳系内行星的轨道中最狭长的，而且在其他行星的公转轨道几乎都位于同一平面时，水星轨道平面与其他轨道所在的平面形成的夹角却足有7°。而且尼斯模型十分不稳定，天王星或海王星总是会被逐出太阳系，只剩下3颗气体行星。

“跳跃的木星”假说

随后，美国科罗拉多州西南研究所的研究员大卫·内斯沃尼和巴西行星科学家费尔南多·罗伊格在多次模拟和计算行星轨道后，在尼斯模型的基础上，提出了“跳跃木星”的假说。这一假说可以很好地解释水星奇怪的轨道和尼斯模型不稳定的问题。

两位科学家表示，在最初形成的太阳系中，很可能还有一个巨大的气体行星，这个气体行星的体积和海王星差不多，位于土星和天王星之间。在气体行星向外迁移的过程中，这颗行星被弹射出太阳系。在这个过程中，还引起了木星轨道向太阳靠近，木星与太阳的距离迅速地缩短了。科学家将轨道的快速迁移描述成“木星的跳跃”。

这种跳跃并没有影响到其他质量较大的岩石行星，只影响了质量最小的水星（水星的质量约为地球的二十分之一），造成了水星轨道的偏移。除此之外，木星跳跃也可以用来解释小行星带。由于受到了木星的引力影响，微行星不但没有形成行星，反而互相碰撞，形成了许多残骸和碎片。然而，天文学家们却无法观测到微行星碰撞留下的痕迹。如果太阳系曾有过第五颗气体行星，并且太阳系又将这颗行星驱逐出去，这一过程会打乱小行星的轨道，以至于我们很难观测到碰撞的证据，一切都非常地合理。

如果初始太阳系只有四颗巨型气体行星，那么太阳系有今天的轨道布局的可能性将会非常地低。但是如果初始太阳系原本有五颗气体行星，那么弄清太阳系的形成就变得简单得多了。