木星:太阳系的塑造者和行星杀手

关于木星，我们知道许多事情。这颗气态巨行星的质量是地球的317.8倍（这个数字也相当于太阳系中其他行星总质量的2倍），拥有4颗大型卫星和许多小卫星，而且自转速度惊人――木星上的一“天”不足10小时。

但是，木星仍在不断地给我们带来惊喜。谁曾想到这颗由氢和氦构成的巨行星其实有着惊人的破坏力，帮助塑造了今天我们所知的整个太阳系？

现在，8颗行星正在以规则且固定的轨道绕太阳公转。水星位于最内侧，向外依次是金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。然而，这一排列并非一贯如此。虽然现在的一切看似有序，但有一些异常已经困扰了天文学家很长一段时间。

其中的一个问题就是火星。当天文学家试图利用计算机来模拟太阳系最内层4颗行星的形成时，火星的质量要么比现在大10倍，要么远比实际中更加靠近太阳。科学家一直在思考，是什么东西扼制了火星的生长并改变了它的轨道。一些天文学家认为，答案就是木星。

多年来，不同的研究一直在尝试为这个问题提供解答。2009年，美国加州大学洛杉矶分校的布拉德・汉森提出了一个理论，认为太阳系中的固态物质仅分布在一个特定的范围之内。他认为这个边界在距离太阳1天文单位处，在这之外的行星会因为缺少物质而无法生长。

这个想法很有效――1天文单位是地球到太阳的距离，这可以解释为什么地球和金星的质量都远大于火星。火星到太阳的距离为1.5天文单位，位于汉森提出的边界之外，使得火星因为缺少固态物质而无法生长变大。这听起来似乎是一个完美的解释。然而，有一个关键要素缺失了。“汉森并没有解释他是如何得出这一边界所在位置的，”天文学家亚历山德罗・莫尔比代利说，“他也无法解释远在1天文单位之外的气态行星和小行星带。”

为了解释火星的低质量，莫尔比代利与肖恩・雷蒙德、凯文・沃尔什、阿维・曼德尔和戴维・奥布莱恩一起，开始更加仔细地审视太阳系中最大的行星――木星。他们最终提出了大迁徙假说，认为木星是太阳系中形成的第一颗行星，它在一生中进行了两次迁移：一开始是向内朝太阳运动，然后又向外迁移到它今天的位置。这正是事情变得相当有趣的地方。要想形成一颗质量较小的火星，必须削减它的引力俘获区。这是一个非常基本的想法，即火星要体积小，就必须得挨饿。地球和金星则不必这样。在这种情形下，木星会如何？如果它一直位于火星现在的位置，会发生什么情况？

他们认为，木星曾穿行在内太阳系中，从初始时距离太阳3.5天文单位运动到了仅1.5天文单位处，后者正好是目前火星轨道所在的位置。在早期太阳系中，年轻的太阳周围存在着一个原行星盘，其中浓密的气流和引力会把木星向内拉。这个盘中的稠密气体可以保证木星不会因太过靠近而最终掉入太阳，但同时也意味着木星会吸积掉该区域中大量的物质，对此后火星的形成和生

长产生深远的影响。

在这个阶段，类地行星还都没有形成。水星、金星、地球和火星要比气态巨行星更为年轻，它们诞生的时间要晚得多。大迁徙假说认为，在太阳系形成的最初1000万年里，土星会随着木星一起朝太阳方向迁移，并且进入轨道共振状态。这意味着土星和木星会对彼此产生规律且周期性的引力作用，由此清除掉位于它们之间的所有气体，并最终使得这两颗气态巨行星朝外太阳系迁移。

木星最终抵达了其目前5.2天文单位的位置。但由于它之前在火星今天的轨道上吸积了大量物质，直接导致火星生长受阻，无法长到金星和地球的大小。更重要的是，在迁移的过程中，由于木星到太阳的距离始终没有小于1.5天文单位，因此它没有对更靠近太阳的天体产生影响。这就意味着最内层的3颗类地行星――水星、金星和地球――能够如预期般形成。

要看到木星是如何影响火星的，只需把火星和地球做个比较。在形成的初始阶段，地球和火星都会快速生长，但这个过程在地球上得以继续，而在火星上则没有。虽然火星被认为形成于距离太阳约1天文单位处，在那里它能够形成其核心，但引力的相互作用把它推到了约1.5天文单位的地方，使得它位于一个物质匮乏的区域，无法进一步生长。因此，火星早在地球之前就被迫停止生长了。

火星的形成时间要比地球短得多。地球形成花了1亿年的时间，而火星只花了400万年。地球在其形成的最初500万至1000万年中积聚了约50%的质量。在开始的时候，火星和地球一样积聚质量，然后突然停了下来。木星清空了这一区域，仅留下少量物质的想法可以解释火星的质量，也可以解释火星的生长过程为何戛然而止。

在塑造太阳系的过程中，木星的作用并不仅限于此。一些科学家认为，太阳系中曾经存在过超级地球，它们的质量可达地球的10倍，但要小于海王星。就像天文学家在许多行星系统中观测到的那样，它们都十分靠近宿主恒星。这些超级地球帮助形成了最早的太阳系，但它们很可能已经被所向披靡的木星破坏了。

这是美国加州理工学院的行星科学家康斯坦丁・巴特金和美国加州大学圣克鲁兹分校的天文学家格雷格・劳克林提出的一个理论。他们的这个想法基于大迁徙假说，灵感则来自开普勒空间望远镜的观测成果。该空间望远镜发现，银河系中的恒星普遍都拥有非常靠近它自身的岩质行星，这些行星的质量比地球大并且拥有稀薄的大气。

这一发现暗示，在内太阳系有行星不见了踪影。同时，在其他行星系统中，气态巨行星到其宿主恒星的距离往往只有水星到太阳距离的1/10。这着实让人思考木星究竟是如何形成的、大迁徙又是如何清空内太阳系的。巴特金和劳克林的想法是，如果太阳系与其他行星系统相似，那么在短周期轨道上应该曾有一些超级地球存在。如果事实真的是这样的话，天文学家将不得不解释这些超级地球都去了什么地方。

巴特金和劳克林认为，超级地球形成于木星向内迁移之前。在最早的阶段，超级地球会快速形成。它们表面密度高，轨道周期短，因此可以获得大量物质，进而迅速生长。

当木星向太阳运动时，会迫使超级地球的轨道发生交叠，使得它们发生碰撞并瓦解。巴特金和劳克林认为，在木星向内迁移的过程中，超级地球首先遭到破坏。这一过程也会把木星送入一条在许多行星系统中非常典型的轨道。木星会触发级联式碰撞，位于目前地球轨道附近的、正在形成过程中的所有天体都开始发生碰撞并解体。

其结果是，在气体阻尼力的作用下，超级地球的残骸会被推入太阳，由此清空水星和太阳之间的区域，这也解释了那里鲜有物质存在的原因。如果这一理论被证实，将有助于解释太阳系为什么会变得与其他行星系统如此不同，以及今天我们看到的类地行星为什么如此之小。该理论认为，由于第一代行星已被摧毁，使得更小的行星在第二波形成浪潮中取而代之。

“大迁徙会破坏最初的行星构形。”劳克林说，“然后，一旦进入共振状态，木星和土星会向外迁移，最终地球和其他类地行星得以在木星先向内、后向外的迁移过程遗留下的残骸中诞生。”

这正是类地行星的年龄小于气态巨行星的原因。类地行星只有在木星“碾碎”了沿途的行星体之后才能形成。这构建了一个框架。在这个框架下，太阳系曾经拥有不寻常的特征，和目前所见迥然不同，而这全都是早期木星的破坏作用导致的。

一颗以近圆轨道运行的巨行星并非在每个行星系统中都能见到。事实上，其形成的概率只有百分之几。在水星轨道之内空无一物也是十分不寻常的现象，这很可能是因为类地行星形成时间较晚且缺少物质所致。

这可能意味着，有着与地球相似的固体表面和大气压强的行星也许是比较罕见的。基于现在有关太阳系演化更为清醒的认识和判断，我们对于在其他行星上存在生命的猜测可能需要回归审慎的态度。

即便如此，莫尔比代利并不相信太阳系中曾存在过超级地球。他认为巴特金和劳克林的工作仍很初步，有些方面还需要深入。他表示，原行星盘存在内边界，行星是无法越过这一界线的。“有一些作用会把行星维持在这一边界上，”他说，“这些作用也会推动尘埃。基于这个原因，行星是无法迁移并掉入太阳的。”当然，也有人反对大迁徙假说。如果它被证实，将会产生巨大的影响。

“这会使得太阳系再次变得特殊。”莫尔比代利说，“这表明，我们是因为一系列特定的事件才存在于这里的，而且很明显，这些事件并不会在任何时候都发生。例如，如果木星向内迁移得更加靠近太阳，那么我们就不会出现在这里，因为地球的大小会和现在的火星相当。不要误会我的意思，我并不是说这多亏了‘上帝之手’，而是说这一系列事件恰到好处地发生的概率绝对不会高。”