这个猜测听起来挺有道理,但这就是全部了吗?海王星的外迁真的是最初的柯伊伯带天体解体和其中99%的类冥天体消失的原因吗?2005年,一个科研小组提出了一个更加大胆的猜想:太阳系形成后,外太阳系的行星曾经经历过一次重大的变故。这个想法是一个国际行星动力学专家小组的共同研究成果,小组成员包括罗德尼·戈梅斯(Rodney Gomes)、哈罗德·利维森(Harold Levison)、亚历山德罗·莫尔比代利(Alessandro Morbidelli)和凯洛梅尼斯·齐加尼斯(Kelomenis Tsiganis),由于他们是在法国尼斯市的天文台进行的研究,所以他们的想法后来被称为尼斯模型。
尼斯模型的目标是建立一个统一的行星形成后的太阳系演化假说,用于解释柯伊伯带各种天体、特洛伊型小行星、大行星的不规则卫星,甚至我们在第10章提到的发生在内太阳系的晚期重轰击事件的来龙去脉。尼斯团队运用了大量的计算机模拟检验了这个想法,并将结果和今天的太阳系做对比。
尼斯模型表明,4颗巨行星形成于距离太阳5.5~17天文单位的范围,它们的轨道呈近圆形,都在天王星目前的轨道内。可信度最高的一个计算机模拟中,海王星的初始轨道被放在比天王星更靠近太阳的地方,其他行星的排列顺序和今天一样。在离太阳15~35天文单位的空间里,也就是从当时离太阳最远的行星的轨道到海王星目前轨道外面一点儿之间的区域,有一个总质量约是地球质量35倍的巨大的冰质星子带。该星子带内部边缘的星子的相互活动造成天王星、海王星和土星外移,星子则被散射到内部。当木星碰撞到星子时,它强大的引力会将较小的天体弹到奥尔特云或更远的地方,木星因此往太阳的方向移动了一点儿。至少在这一点上,尼斯模型与我们之前描述的传统理论是一致的。
然而,与传统理论不同的是,尼斯模型认为,冰质星子的散射以及行星轨道的调整一直持续了6亿多年,直到木星和土星移动到不稳定共振的位置为止。这种共振对于这两颗行星乃至整个太阳系所产生的后果是突然而颠覆性的。不久后,木星和土星的轨道又变得更加扁长。由于轨道扁长,土星和天王星、冥王星的距离变得更近,天王星和冥王星的近圆形的轨道也在土星的引力作用下被拉伸成为椭圆形。海王星就是在这个过程中取代天王星成了太阳系中最远的行星。
这三颗太阳系中最远的巨行星的新的扁长轨道穿过了大部分冰质星子带。大量星子被赶出了这个地带,其中有许多来到了内太阳系。月球、火星和水星表面的古老陨石坑很多就是因此产生的。巨行星的轨道改变的同时也给太阳系带来了新的稳定位置,这些空位很快就被大量居无定所的星子占据了,它们壮大了特洛伊型小行星家族和大行星的不规则卫星的规模。最终,行星轨道外的星子带中只剩下1%的星子。发生这一巨变后,木星和土星的轨道继续演变着,直到完全脱离共振为止。这些星子后来的引力相互作用使大行星的轨道又变回了近圆形,也决定了它们今天和太阳的距离。随着海王星来到星子带外缘并赶走了里面的几乎所有天体,行星的迁徙活动慢慢停止了。
虽然我们无法完全确定此模型中有多少是真的,但也不乏支持它的理由。它解释了为什么巨行星可以在太阳星云存在的那段时间里形成——因为它们形成的时候离太阳比现在近,也解释了它们当前轨道的形成过程。尼斯模型很好地还原了柯伊伯带、散盘、不规则卫星和特洛伊型小行星的主要特征。它还解释了行星形成过程中为什么会有一个较长的相对安静的间隙期,以及月球和内太阳系行星的晚期重轰击。(www.xing528.com)
尼斯模型中所说的冰质星子的集体散射事件,可以用来解释某些主小行星带外缘的天体和与木星共享轨道的特洛伊型小行星的特点。它们之中有很多是D型小行星,一般呈暗淡的浅红色,光谱特征相对较少,看起来更像彗核而非岩质小行星。一些主小行星带的成员偶尔可以和彗星一样形成彗发和彗尾,这点我们在第1章提过。可信度比较高的一个解释是,这类天体原本来自外太阳系,由于一次像尼斯模型所说的行星变故后才来到小行星带。
尼斯模型由于成功还原了当今太阳系的多个特征而获得了广泛支持,但这不是说它就是对的。和之前的许多理论一样,随着新发现的出现,它的可信度可能会下降。比如,行星科学家最近发现,类地行星近乎圆形的轨道很大程度上限制了大行星发生改变的可能性,大行星的轨道很可能不是循序渐进变化的,而是在一系列不连续的变故后才变成现在这样的,否则内太阳系行星的轨道应该呈椭圆形,而非我们今天看到的样子。
目前来看,尼斯模型的吸引人之处,在于它成功地将几个明显不相关的现象统一地串联了起来。就算尼斯模型日后被证实是错误的,太阳系早期的大行星的引力摄动和迁徙行为,仍有很大可能是造成柯伊伯带和外太阳系的小天体分布情况发生变化的主要原因。
【注释】
[1]这两颗卫星后分别被命名为冥卫四(Kerberos)和冥卫五(Styx)。——编者注
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