中青报·中青网记者 李剑平
行星是如何诞生的？太阳系又是如何演化的？近日，浙江大学发布该校物理学院研究员刘倍贝与法国波尔多大学教授雷蒙德、美国密歇根州立大学教授雅格布森共同提出的太阳系巨行星轨道演化新模型。这项成果在北京时间4月27日刊登于《自然》，刘倍贝是论文的第一作者兼通讯作者，浙大物理学院为第一单位。
行星在原行星盘气体耗散下的示意图。浙江大学供图
“今天我们所见太阳系的行星轨道，与太阳系‘童年’时期有很大不同。”刘倍贝说，追寻太阳系早期动力学不稳定的原因，是国内外学界非常关注的问题。
描述太阳系巨行星演化当前最流行的是Nice模型，该模型认为：轨道不稳定发生在太阳系诞生数亿年之后，那时，原行星盘气体耗散，巨行星与外部的星子盘相互作用不断交换轨道能量，最终使得行星摆脱共振束缚并引发动力学不稳定。
刘倍贝团队提出，可以用气体盘的耗散来解释行星轨道的演化，这是先前模型没有考虑到的因素。“在气体盘演化的晚期，太阳辐射的高能光子直射行星盘，形成的强劲光压首先吹散了靠近太阳的气体，行星盘内部出现了中空的结构。后续光压由内向外逐步驱散盘中剩余气体，行星盘质量伴随着盘内边界向外扩张而减小，这个过程被称为行星盘的光致蒸发。”刘倍贝说，这时太阳就好比一个巨型吹风机，不断“吹”走盘中的气体。
刘倍贝团队通过理论计算发现，由于内边界处气体的快速耗散，行星在该处受到向外的气体作用力，这与行星在盘的其他位置受到向内的力截然不同。当气体盘内边界由光致蒸发向外扩张时，原本向内迁移的行星改变运动方向，随内边界共同向外移动。
“这个过程就像打羽毛球，挥拍击打来球，羽毛球改变原有轨迹，反弹后随着拍面一起向外运动。”刘倍贝说，巨行星由于质量不同，它们向外迁移的速度也不同，从而打破原轨道共振态并引发了动力学不稳定。
“我们的研究表明，该过程导致的动力学不稳定紧随着气体盘耗散，在太阳系诞生后约五百万到一千万年间发生。有别于Nice模型，我们的模型中巨行星轨道不稳定发生的时间更早。”刘倍贝说。
“我们能从月球陨石坑的年龄找到新的佐证。”刘倍贝介绍，巨行星动力学不稳定会打破太阳系原有的平静，它们强大的引力扰动迫使周围小天体不断撞向其他行星和卫星，并在星体表面留下陨石坑。
刘倍贝说：“月球陨石坑有着广泛的年龄分布，小行星撞击事件随时间自然衰减，这也与我们团队提出的早期不稳定模型研究更自洽。”
此外，类地行星的轨道也支持刘倍贝团队的“反弹”模型。根据观测，原始地球形成于原行星盘阶段，在太阳系诞生后3000万至1亿年间最终长成。如果不稳定发生在地球完全形成之前，巨行星轨道动荡有概率触发大碰撞事件，诱发原始地球与一个火星大小的天体相撞，逐渐形成现今的地月系统。
“而Nice模型所预期，不稳定发生在地球形成之后，地球就不能成为今天的地球。”刘倍贝说，“早期动力学不稳定更符合来自太阳系其他天体关于小行星撞击时间的记录。新模型也可以更好地解释后续形成的类地行星的质量和轨道构型，这些均为其有别于传统模型的优点。”
审稿人对这一研究评价称：“该模型很可能是太阳系演化理论中缺失的成分，文章新颖且意义重大。”刘倍贝表示，未来团队会进一步探究巨行星轨道演化对地球形成及其水起源的影响等问题。
