@ 2013.12.16 , 18:12

疯狂的太阳系

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我(原文作者)向来坚持先说坏消息,开门见山地说:我们赖以生存的地球,这个在宇宙中毫不起眼的避风港,现在的情况不容乐观。我们身处的太阳系现在充满了不安定因素。

今年2月15日当地时间9:20分,一颗直径15米的陨石冲破了大气层在俄罗斯车里雅宾斯克上空爆炸,由此产生的冲击震碎了方圆300米内的玻璃窗,掀翻了当地一家制锌工厂的房顶,冲击波震碎的玻璃碎片危害最大——一千多人因被玻璃扎伤和其他伤情被送往医院救治。感恩节这天,在互联网上,数以百万计的观众观看了ISON彗星的各种视频,这颗彗星的轨道和人们预测的多少有不同,但是还是避免不了它以椭圆形轨道一头扑进太阳最后毁灭的下场。经过几个小时的空间飞行,这团有45亿年历史的古老彗星只剩下了一团烟尘。

根据最新的太阳系形成与进化理论,ISON这类偶然事件不过是太阳系全景图片中区区几个像素点。撞击和错位并不是偶发事件,而是宇宙中的家常便饭。

星球动力学专家Alessandro Morbidelli就说:“虽然行星看上去一直很安静,但事情没有看上去那么简单。在行星形成初期,他们并没有处在正确的轨道,这种看起来稳定的轨道只是暂时的,对于恒星来说漫长的生命来说,行星的轨道不是固定不变的。”

地球在混乱中形成,在混乱中走完混乱的一生后很可能也在混乱中灭亡。

当Morbidelli带着欢乐的意大利口音向我解释这一切是如何如何的时候,我不禁注视着他的名字若有所思地揣摩着Morbidelli这个名字背后的深意。(morbid英文“痛苦”之意)我们人类对我们居住的地球,这个宇宙中的生命之舟已经开始有了新的认识,那就是,不稳定是宇宙的常态,他和他的同僚们正在加深我们对于这个认识的理解。
“如果你漫游整个银河系,在经历了50亿年的漫长旅行,当你回到地球,你会发现水星早已不在,地球轨道也已偏心,地球上已经不适合生物居住了。”带着一点唱歌的腔调,Morbidelli这么对我说。我了解这种没有任何人能够体验的事情在这位专家口中讲起来是多么欢乐,哪怕在他谈到这个不稳定的太阳系中的各个组成部分,他也完全保持着他欢乐的语调。

“小行星带、柯伊伯带和奥尔特云中存在着大量不稳定的碎片,来自地球和其他行星形成时期。车里雅宾斯克流星就形成于小行星带,推测可能形成于约3万年前小行星带中的一次强烈碰撞。柯伊伯带在海王星之外,奥尔特云则是包围太阳系的一圈云状陨石圈,与比邻星到太阳的距离相差不多,也是ISON彗星的故乡。”

车里雅宾斯克灾难过后,Morbidelli和他同事就赶紧投入了计算这类不稳定陨石的工作中。撞击地球的陨石要比Morbidelli的模型预测的结果要更频繁。上个月他们公布了他们的最新研究结果,车里雅宾斯克级别的陨石发生概率实际上要比他们之前的预测高出10倍。不安的过去和现在之间并没有明显的区别。

Mobidelli的最新研究将之前牛顿式的钟表结构般前因后果分明的理论替换成了更接近于量子物理学的不确定理论,只不过这次盒子里的不是猫,而是人类。太阳系内所有天体都可能会毁灭、会破裂、会被撞飞,长远看来,所有天体都逃不过被毁灭、破裂、撞飞的下场。地球的命运就是如此,地球今天迎接的也正是这种命运。

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长久以来,科学史界存在着一个根深蒂固的认识——人们相信地球和太阳系其他行星形成之初和现在的模样并无二致,行星的特质和位置的安排都是上天注定的。这种理论影响之广甚至超过牛顿的理论,13 世纪的天文学家萨克罗博斯科用干干净净的几何学模式来定义整个宇宙。这种理论认为你可以比之地画出一根连接天地的直线,在天堂的那端住着亚里士多德。荒诞的是,直至人类进入了太空时代,这种理论依然被人们所秉承。

现在回顾这段历史,这种简陋又想当然的观点其实早已有人开始重新审视,甚至比科学界开始全面意识到事实还要早的多。1970年代开始,不断有模拟太阳系形成过程的理论模型提出一种我们不希望发生的假设:太阳系内所有行星正大跨步地远离太阳,这个过程将伴随巨大的混乱。“简单的纸上计算就可以得出这个惊人结论,可随即人们就把这事放一边了。”科罗拉多州西南科学研究所太阳系运动的顶尖研究人员Kevin Walsh这样说,“有几家期刊公布了这种听上去像信口开河的结论,但是没有人真正觉得行星迁移是太阳系重要的演化过程。”

这个理念一度被雪藏,直到几十年后,一系列底层发现迫使理论学家重拾这个理念。1995年,两名瑞士天文学家探测到飞马座51b,这是一颗距地球50光年的发出暗黄色光芒的行星,也是人类人类发现的第一颗围绕类似太阳的恒星(飞马座51)的系外行星。这颗飞马座51b呈气态,大小和木星差不多。从前的学界认为,只有远离母星的寒冷星区才能形成类似飞马座51b的星球。而飞马座51b在平静的学术界惊起了波澜——这颗星球恰恰围绕着紧挨着母星的轨道运行,近的都要烧焦了。唯一合理的解释是,飞马座51b在远离母星的区域形成,后来由于某种原因短时间内被拉到了靠近母星的轨道。学界开始将这颗行星称为“热木星”,并且普遍观点认为这只是特例。

这并非特例。在接下来的一年里,美国一个竞赛团队发现了2颗热木星;现在已经被分类的类似星球已经有数十个。科技的进步让天文学家能够更轻松的搜寻天体,这样看似不可能存在的行星的存在数目大幅度地更新着。某些行星的运行轨道是非常扁平的椭圆形轨道,有些行星的公转轨道和黄道平面的夹角几乎达到90°,更有行星反向运行。只有行星轨道迁移学说才能解释这种不可思议的现象。

撞击和错位并不是偶发事件,而是宇宙中的家常便饭。

2009年Walsh以博士后身份在尼斯天文台工作,跟Morbidelli共事时,Walsh已经是太阳系动力学方面的专家,现在他全身心投入行星轨道迁移学说,致力于研究行星迁移的种种细枝末节。Walsh的工作针对太阳系形成的原始阶段,Morbidelli研究的则是紧跟的不稳定阶段。

在精确模拟新生太阳系的模型中,要移动行星的位置轻而易举。难点在于如何让行星位置保持不变,这一点早在1970年代的纸上计算就已经得出。哈勃太空望远镜和其他巨型天文台传回的数据都可以看出,在新生的星系中,幼年行星都是一团气体尘埃漩涡,围绕着刚刚形成的恒星旋转,称为原行星状星云/物质盘。最初的几百万年里,行星还不过是没有成形的碎片,不断旋转的物质盘将会发展形成一个类似波的密集物质集中区域,碎片就在这个区域内来回摆动。

“原行星状星云的质量是最终成形的行星的1000倍之巨,这团巨大质量的物质可以推着行星走很远很远。”所以Walsh意识到早期的太阳系与其说是精确的时钟,更像是乱撞的碰碰车。用这种理论就可以轻松解释直接困扰了天文界很久的诸多难题:火星为什么这么小?小行星带是怎么形成的?以及,为什么地球的化学构成和模型分析的预测大相径庭?

Walsh将这种理念转化成Grand Tack(大转向理论),重新阐述了地球和其他行星形成的过程。木星现在的轨道宽度是地球轨道的5.2倍,公转周期11.8年。但是根据Walsh的解释,木星的实际诞生地要更远,形成时期大概在太阳系诞生后的500万年内,在经过一系列的巨大碰撞后形成现在的木星。首先木星被巨大质量的物质盘拖到现在火星的位置,大概是1.5倍日地距离,接着木星向着远日方向迁移,位置超过了现在木星的位置,随后在新形成的土星的重力影响下,木星被迅速拉回一段距离,最终停在了现在的位置上。整个过程耗时500万年,人类看来叫永恒,而对于太阳系46亿年的历史看来只是转瞬。

笔者问Walsh这样巨大的天体来回移动会造成什么后果?Walsh说:“那真是一团糟。木星那么大的天体在太阳系来回移动的话,打个比方,就像滚雪球,横扫路上的一切。”

幸运的是,木星移动时地球还不存在,否则地球已经飞进太阳或成为黑暗的宇宙中的纷纷碎片了。巨大行星对人类居住的内太阳系的影响还是间接的,木星冲进了冰陨石和小行星密集的空间,将富含水分的物质向两边推开,这些物质被成长中的地球接纳。“也就是说,现在地球上大多数水的来源都是木星迁移过程的结果。”Walsh说。所以说,每当你在游泳池里游泳,亦或是喝水的时候,你都在享用太阳系这种不稳定带来的财富。

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木星轨道迁移重塑了太阳系的方方面面:清扫了原本的小行星带,形成了其他天体,改变了彗星带的分布,限制了火星的成长,让火星成为一颗寒冷没有大气的星球——火星人太倒霉了。同时,地球和其他行星核心碰撞后形成的众多碎片被木星一一吸收。有些人相信月球就是在这种灾难碰撞过程中形成的。

木星在走完它的漫游旅程后,太阳系看上去也安定下来,但,这一切只是表象。实际上,太阳系早就布好了下一步的惊天行动,这个惊天行动是什么?答案困扰了科学家们半个世纪,也许明天我们醒来就能知道。

本文译自 Nautilus,由译者 王大发财 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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