据悉，诸多太阳系的观测，均支持四大巨行星曾经发生过剧烈的轨道动荡。但是这一事件发生在何时，由何种机制触发在学界一直并未达成共识。前人模型（Nice model，由模型提出者来自法国尼斯天文台而得名）指出，巨行星们与远处星子盘的引力作用，可以导致其轨道缓慢变化，进而逐渐偏离原有的稳定轨道，最终发生行星密近交汇和碰撞。此外，该模型中巨行星轨道不稳定发生时间较晚，约为太阳系诞生 5-7 亿年之间，为晚期不稳定类型。
近日，浙江大学物理学院研究员刘倍贝在一篇论文中提出，巨行星轨道不稳定伴随形成行星的原初气体盘的耗散发生，是由气体和巨行星引力相互作用导致，不稳定发生在太阳系诞生后一千万年内。
图 | 刘倍贝（来源：刘倍贝）
4 月 27 日，相关论文以《早期的太阳系不稳定性由气体盘的扩散触发》（Early Solar System instability triggered by dispersal of the gaseous disk）发表在 Nature 上。对于该论文，审稿人评价称：“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。”
图 | 相关论文（来源：Nature）
在他提出的模型中，巨行星轨道不稳定发生在太阳系演化的早期，支持证据如下：
1、巨行星的不稳定牵一发而动全身，其强大段引力效应会影响周围小行星比如彗星等天体的正常运行，从而激发它们的大离心率，导致撞击内太阳系天体。最新月球陨石坑统计测年、以及对月球陨石年龄的测定，都表明小行星频繁撞击发生的时间更早，故可以支持早期不稳定模型。
2、地球形成于太阳系诞生后 1 亿年左右，如果巨行星轨道不稳定发生在地球形成之后，其轨道动荡破坏类地行星的轨道构型的概率极大，比如伴随着地球和金星的离心率不断激发，两颗类地行星可能会碰撞，因此这无法满足现今的观测。简单地说，如果不稳定发生在地球形成之后，它很可能就不能演化成现今这样（地球就不能称为现在的地球）。这也从另一个方面支持早期不稳定模型。
而刘倍贝之前的工作曾探讨过太阳系外的行星种群，是如何通过与原初气体盘相互作用、以及如何脱离轨道共振态的。本次论文的合作者——法国波尔多大学的波尔多天体物理学实验室教授肖恩·雷蒙德（Sean N. Raymond）和美国密歇根州立大学地球与环境科学系教授赛斯·雅各布森（Seth A. Jacobson），都是太阳系动力学专家，他们最初想到了巨行星动力学不稳定可能发生在早期。
2019 年，这两位专家邮件联系刘倍贝，想知道后者的工作是否能解释上述现象。三人通过邮件讨论后觉得想法是可行的，随后开展工作。期间，刘倍贝主要负责构建模型、开展数值模拟计算。三人共同分析、讨论结果，并随时交换想法。
该研究的科研难点在于打破固有思维的限制。Nice 模型提出至今已有 17 年之久，也很受学界欢迎。研究中，该团队首先从观测上收集证据和线索。这个有点像侦探破案，案件就是还原太阳系演化历史。
刘倍贝表示：“此前有侦探已经提供了他们的答案。而我们重新梳理线索，质疑一个比较成熟的模型是不是完全符合观测线索。在不完全是的情况下，我们后续大胆提出假设，一步步去推演，验证这个想法。这一系列的思考和侦探破案的过程也比较像。”
在科学方面，巨行星占太阳系行星质量的大头，只有充分理解巨行星的轨道演化，才能更加深刻理解整个太阳系演化历程，包括地球形成和演化受到什么因素的影响，地球什么时候适宜生命的存在和维系等等。所以，理解清楚巨行星轨道变迁对认识我们自身起源也意义重大。此外，还可通过研究太阳系去总结客观规律，从而预言太阳系外其他行星系统是否具有相同的特征。
由于木星的轨道动荡会不断激发小天体撞击地球以及其他类地行星，这些小天体们很多都是来自遥远的轨道，含有丰富的水和有机物。它们撞击地球的过程中，如何把水和有机物带到地球上也是一个重要的交叉前沿问题。因此，该合作团队会进一步探究巨行星轨道演化如何影响地球形成及水起源。
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参考：Liu, B., Raymond, S.N. & Jacobson, S.A. Early Solar System instability triggered by dispersal of the gaseous disk. Nature 604, 643–646 (2022). 网页链接
