24.行星迁移

定 义：太阳系形成后不久，行星轨道的大规模变化。

发现历史：2005年，首次发表了关于行星迁移的“尼斯模型”。

关键突破：2006年，尼斯模型的发展提供了一种解释巨型外行星自转轴倾斜的方法。

重要意义：早期太阳系中的行星迁移可能对塑造我们现在的世界发挥了关键作用。

根据最新研究，行星并不一直位于现在这样有序的轨道上。相反，早期太阳系曾发生过显著的行星迁移，这对行星际空间中较小天体的分布产生了巨大的影响。

有一种被广泛接受的模型叫作“碰撞吸积模型”，该模型表明在大约45.6亿年前太阳点燃后，由剩下的原行星云形成了行星。这个模型准确地描述了行星的广泛属性，既包括更靠近太阳的岩石世界，也包括冰霜线之外的气体巨人及其冰封的卫星，在冰霜线处，挥发性化学物质可以保持冻结状态，直到它们被吸纳到行星或者卫星中。有趣的是，这与目前我们所看到的太阳系相矛盾。

最大的问题是巨行星的轨道都不太符合模型的预测，这对于天王星和海王星来说尤为明显，这两颗行星现在的轨道对应于当年太阳系原始星云相对稀疏的区域（译注：所以难以形成大块头的巨行星）。另一个重要问题在于冰封的矮行星世界和彗星的起源——今天的太阳系是被层层包裹着的，相对较近的有内柯伊伯带和相关的冰矮星的散布盘，而更遥远的地方有深度冰冻的彗核组成的球形奥尔特云（Oort Cloud）。除了内柯伊伯带之外，这些冰冻碎片中没有一个能够起源于它们目前绕太阳运行的轨道上。

在21世纪初期，一支国际天文学家团队以法国尼斯天文台为基地，发展出一系列关于早期太阳系的各种情景的计算机模型。这些模型表明某些特定的初始条件极有可能导致我们今天所知的行星和小天体的排列情况，同时也与原始的原行星云的条件保持一致。2005年，罗德尼·戈梅斯（R. Gomes）、哈尔·利维森（Hal Levison）、亚历山德罗 · 莫尔比代利（Alessandro Morbidelli）和克莱门尼斯·希格尼斯（Kleomenis Tsiganis）在著名的《自然》（Nature）杂志上发表了3篇论文，公布了他们的发现。虽然这些研究也存在一些问题，但他们关于太阳系早期演化的图景（通常被称为尼斯模型）已被广为接受。

“当土星冲向较小的冰巨行星时，会将它们推入极近椭圆的轨道，这种轨道会直接穿过星子带。”

尼斯模型

他们于2005年所提方案的关键特征是3个巨行星最初离太阳更近，位于距离太阳5.5 ~ 17 AU的轨道上（在天王星现在的轨道之内）。在它们之外，横亘着一个宽阔的盘，由冰矮星星子所组成，延伸到大约35 AU的位置上，共包含30 ~ 40个地球质量的物质。

最内侧的小天体和最外面的巨人们（可能是当时的天王星或海王星）偶然相遇往往会导致动量交换，其结果是小天体被拉向太阳系内侧，巨行星则略微向外挪。由于向内散射的小天体们偶尔又会遇到下一个巨人行星，这一过程会反复进行，所以行星逐渐向外漂移，而原始的冰矮星带也随之耗尽了。当星子遇到木星时，这个过程发生了逆转，这个巨人行星的强大引力倾向于将星子们扔回外太阳系的深处，甚至将它们完全弹射出去，同时会使木星慢慢向内移动。

外行星以这种方式稳步发展了几亿年，直到大约39亿年前，这个过程进入了一个更快速的新阶段，其触发因素包括向内旋进的木星和向外漂移的土星达到了1：2的共振状态，也就是说每当木星绕太阳转2圈，土星就会绕太阳转1圈。这一效应导致两颗行星之间频繁地对齐，从而增强了木星对土星的引力效应，使得土星快速向外旋出，直到现在的位置上。当土星冲向较小的冰巨行星（译注：即天王星和海王星）时，会将它们推入极近椭圆的轨道，这种轨道会直接穿过星子带。小天体的世界因此变得四分五裂——有些小天体被扔进散盘或更远的地方，而更多的小天体则被送往太阳和内行星那里，其结果就是“晚期重轰击”（late heavy bombardment）事件，这些事件给太阳系各处都留下了伤痕。最后，散射效应降低了冰巨人轨道的偏心率，将它们推入了现在这种或多或少是圆形的绕太阳公转的轨道。只有原始星子盘的外边缘在被剥去了大部分质量之后幸存下来，形成了现代的柯伊伯带。

在太阳系历史的第一个10亿年中，巨行星的轨道（显示为彩色椭圆）在不同的方向上漂移，从而变得更大。在这一过程中，无数的小天体（以棕色显示）从巨行星现在的轨道附近被抛散出去。

主题的变化

尼斯模型成功地解释了现代太阳系的难题，并发现了与我们的太阳系明显不同的系外行星系统，这些进展带来了行星动力学研究的复兴。我们整齐排列的太阳系不再是从远古到现在一成不变的固定模式，恰恰相反，它似乎是一个复杂演化过程的结果，这一演化过程直至现在可能还没有结束。不足为奇的是，天文学家们已经发展出动力学理论来解释许多其他太阳系的奥秘。

例如，在尼斯团队约一半的模拟实验中，这些冰巨人都在大约10亿年之后交换了位置。这种交换对太阳系的总体发展几乎没有影响，因为这两个行星的质量大致相同，但对于这两颗行星来说，将是一个痛苦的时期。阿根廷天文学家阿德里安·布鲁尼尼（Adrian Brunini）提出，这可能解释了土星、海王星以及天王星令人费解的倾斜自转轴。2006年，布鲁尼尼提出，在这3颗外行星之间经常会发生近距离交汇，这可能会拖曳它们凸起的赤道部分，并使它们的自转轴逐渐倾斜到目前的程度。该理论的一个显著优点是，破坏将发生在相对较长的时间尺度上，以便为在行星赤道平面上运行的环和卫星提供时间来修正移动方向。要想替代“晚期重轰击”解释，不仅需要好几次异常大的碰撞，而且还需要它们发生在太阳系历史的早期，只有这样，环和卫星才可以在行星目前的赤道上方形成。

月球受撞击的模式以及月表的地质证据表明，大约在39亿年前，撞击频率曾达到过一个峰值，然后才开始减少。那么，这种情况在整个太阳系中很常见吗？