原行星盤的藝術想象圖。圖片來源：NASA，Pat Rawlings

太陽系中的行星似乎亙古不變地環繞著太陽，然而在幾十億年前，太陽系其實發生過劇烈的震蕩，極大改變了行星的運行軌道。尼斯模型可以解釋這次巨大遷移的原因，但最近一個新的猜測挑戰了這個十七年前提出，今天已經成為主流的模型。

編譯 | 孟凡瓊

審校 | 王昱

46 億年前，一團巨大的漩渦氣體塵埃包裹著初生的太陽，太陽系由此誕生。在初始形成的太陽周圍環繞著由密度較高的氣體和塵埃組成的原行星盤，類地行星（水星、金星、地球和火星）和巨行星（木星、土星、天王星、海王星）逐漸在這個氣體盤中形成。從上世紀末開始，科學家認為太陽系早期的巨行星是在緊湊而間隔均勻的軌道上形成的。然而觀測表明，它們的軌道卻稍微偏向于歪斜的橢圓，同時也較為分散。行星的軌道為什么會從均勻轉向分散？這種遷移又是什么時候發生的？這是關乎太陽系形成過程的重要問題。

在 1984 年，科學家提出：原行星盤外圍的微行星帶與巨行星發生的碰撞可能是這一現象的原因。這些微行星先與最外圍的海王星相撞，其中一部分被向外散射，大部分進入了天王星軌道內側，海王星的軌道角動量增加而向外移動。這樣的碰撞之后接連發生在天王星和土星上，也導致它們的軌道外移。對于更內側的木星，射向它的微行星大部分被向外彈射，所以木星的軌道反而稍微向太陽靠攏了。

微行星盤推動行星軌道變化的簡略示意圖，圖片來源：A. Morbidelli 和 H.F. Levison

之后，科學家在對系外行星的探索過程中獲取了一些靈感。開始，科學家發現了一類與木星非常相似的氣態巨行星，但它們離恒星非常近，軌道周期也很短，有些甚至不到 10 天，這些行星被稱為 " 熱木星 "。隨后，科學家發現了軌道更長的氣態巨行星，他們注意到這些行星的軌道大多與正圓相差甚遠，就像被拉伸了似的。

這種現象被認為是 " 動態不穩定 " 所導致的：恒星附近的氣態巨行星通常不會只產生一個，恒星系的原行星盤消散后，這些巨行星會在引力的影響下推擠，輕微改變彼此的軌道。如果軌道足夠近，甚至交叉時，巨行星就會由于引力反復相遇和分散。最終的結果通常是一個或多個行星被彈射出去。這時，幸存行星的軌道就不會是正圓形。至少 75% 的系外巨行星系統都是這種 " 動態不穩定 " 的產物。科學家認為，這樣的不穩定或許是太陽系中行星軌道震蕩的另一可能原因。

在 2005 年，一個新的太陽系演化模型——尼斯模型（Nice model）將微行星盤的碰撞和動態不穩定兩個因素合并成了一個連貫的理論。這一模型推測早期的太陽系中有第五顆巨行星的存在，但在原行星盤消散的幾億年后，這顆巨行星由于和木星之間的動態不穩定被彈出太陽系。同時，在海王星的軌道外一個大約 20-30 倍地球質量的微行星帶導致了天王星和海王星的軌道外移。海王星的軌道逐漸接近這個微行星帶的邊緣，其他巨行星也分散到了現在的位置。

尼斯模型對于巨行星和微行星帶的模擬圖像，深藍色為海王星的軌道，淺藍色為天王星的軌道。左一為木星和土星達到 2:1 共振前，模型預測天王星和海王星有 50% 的概率交換過位置；中間顯示了海王星軌道的變動與微行星散射進太陽系；右一中海王星的軌道外移至微行星帶的邊緣。圖片來源：AstroMark

尼斯模型的動力學模擬結果為許多天文觀測做出了解釋，在過去十幾年中受到了廣泛認可。然而根據這一模型推測的時間，這種不穩定會破壞包括地球在內的，已經完全形成的類地行星。其他研究，包括阿波羅任務采集的月巖樣本，也都表明行星的遷移可能是在更早的時候發生的。

今年四月，發表在《自然》雜志上的一篇論文提出了一個新的行星軌道變化模型，認為這次演變很可能是由于早期太陽的原行星盤從內而外的消散而引起的。來自浙江大學的劉倍貝、法國波爾多大學（University of Bordeaux）的約翰 · 雷蒙（Sean Raymond）和美國密歇根州立大學（Michigan State University）的賽思 · 雅各布森（Seth Jacobson）合作進行了這項研究。雅各布森表示：" 這個新的理論可以幫助我們緩解這一領域現有的沖突，因為對于巨行星不穩定的產生，這是非常自然的一個答案。"

研究人員推測，在更早的時候，太陽核聚變點燃釋放出高能量的輻射，導致原行星盤從中心開始受熱蒸發，圍繞太陽產生了一個洞。就像一個甜甜圈中間的洞越來越大，甜甜圈本身越來越細，直到消失。空洞逐漸向外擴張，它掃過的巨行星被 " 甜甜圈 " 向外拉，巨行星的軌道也就隨之外移。但木星是個例外，它的質量太大，本身就能在氣體盤上產生斷層，抵消了氣體盤消散時產生的拉力。土星就沒有那么幸運了，它被氣體盤向外拖拽，靠近冰巨行星（天王星和海王星）的軌道。根據模擬，這有極大概率會引起動態不穩定，導致冰巨行星被土星彈射出去。巨行星的軌道之后逐漸均勻，并到達了現在的位置。

氣體盤消散導致不穩定的示意圖，灰色部分表示氣體盤，時間順序從上到下。圖片來源：約翰 · 雷蒙（Sean Raymond），星球圖像來自 NASA

而更重要的是，根據這個新的模型，動態不穩定會導致小行星和彗星撞擊還在形成中的地球，那時后者還沒有產生原始的生命。" 這個過程會攪動內太陽系，地球就可以從中形成，" 雅各布森說，" 這與目前的觀測是非常契合的 "。地球的形成與這種不穩定性之間的聯系也是研究團隊未來想要繼續探究的課題。

同時，這個理論也適用于銀河系中的其他恒星系統。雖然這次動態不穩定對太陽系產生了巨大的影響，但和太陽系外比起來，這種不穩定還是較弱的。幸運的是，由于木星逃過了氣體盤的拉力，木星和土星并沒有在這個過程中靠近，否則就像太陽系外的許多巨行星一樣，木星的軌道偏心率會是現在的 5-10 倍（偏心率越小，軌道越接近正圓）。在這種情況下，地球也就無法形成了。因為在地球形成之前，她的組成部分就已經被卷進太陽中了。