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年輕木星的旅行改變了太陽系的形狀

2011/09/18 | | 標籤:

木星成為離太陽系第5行星的時日已久,不過,在它年輕的時候,可是不安於室的旅者,慢慢的從遠方靠近太陽,一段時間後又慢慢遠離太陽,還曾一度最靠近到現在火星的軌道位置呢!木星的這段旅程深深地影響了太陽系,改變現在主小行星帶(asteroid belt)的性質,也讓火星沒辦法長得更大些。

以上是美國西南研究所(Southwest Research Institute)Kevin Walsh等人最新的電腦模擬成果,發表在2011年6月5日出刊的自然(Natur)期刊中。他們把木星這段旅程稱為「大航向模型(Grand Tack)」,因為木星向太陽方向遷移,然後停住,轉向,又緩緩向外遷移,這情形就像是一艘帆船繞著浮筒周圍航行時會做的動作一樣。

根據這個新理論,木星是在離太陽約3.5AU的地方形成的,由於當時太陽周圍還有大量氣體環繞,木星被這些流動氣體帶動,一邊繞太陽公轉、一邊逐漸被拉向太陽內側,一直到離太陽約1.5AU之處為止—這個地方,就是火星後來所在之處,但當時的火星還沒安身在此。而木星之所以停在1.5AU的原因,則是受到土星影響。

如同木星一樣,土星也在形成後不久被流動氣體拉著向太陽靠近。當這兩顆巨型行星靠得夠近時,它們命運變成永久相連。當這兩顆行星之間的所有氣體都逐漸清空後,向太陽靠近的行動也停止,甚至逆轉行程,一起逐漸向外旋出,直到木星抵達它現在離太陽5.2AU之處;而此時的土星離太陽則約7AU,還沒抵達最後棲身的9.5AU之處。

這些運動耗時數十萬年到數百萬年之久,以天文尺度而言並不算久,但所造成的影響卻非比尋常。因為這種情況解決了一個懸宕已久的謎題:為何小行星帶會同時存在乾燥的岩質天體和冰質天體。天文學家認為小行星帶之所以存在是因為木星重力阻止岩質物質凝聚,故無法形成一顆行星,所以小天體們鬆散的散佈在這個區域中。另有些天文學家先前認為木星可能移到比較靠近太陽之處,但這個想法會碰到一個嚴重的問題:木星強大的重力會將小行星帶中的物質向四處散射,那麼小行星帶應該不再存在。

大航向模型解決了木星會摧毀小行星帶的問題,反倒是受到木星擾動的結果,會將整個小行星帶推得比較遠。木星的遷移過程非常緩慢,所以當木星靠近小行星帶時,並不是猛烈撞擊事件,而比較像是跳方塊舞時背對背互換位置的舞步一樣,小行星一一被木星偏移位置,最後導致木星軌道和小行星帶軌道互換位置。同理,當木星遠離太陽過程中,木星會輕輕回推小行星帶,這才讓小行星帶移到現在火星與木星之間的位置。此外,由於木星旅行到比它原本出生位置還遠的地方,抵達了冰天體形成的區域,如同岩質小行星一樣,部分冰天體也被木星向內偏移軌道而成為小行星帶的一部份。如此一來,小行星帶中就同時有從太陽系內側來的岩質天體和從太陽系外側來的冰質天體了。

至於火星則是這場遷移事件中唯一的受害者。原本火星比金星和地球還遠,應該有更多造星材料可以讓它長得比較金星和地球還大的。但當木星待在太陽系內側時,將附近的物質向四周散射開來,超過1AU左右的物質都消散掉了,使得在1.5AU附近形成的火星沒有材料可以繼續壯大,這才讓火星變得如此瘦小;地球和金星則可能是在1AU以內、物質比較豐富的地方形成,所以才會比火星大得多。

火星如此瘦小,先前也是太陽系研究領域中不解之謎之一,而想找出為何火星比金星和地球小這麼多的原因,就是促使Walsh等人開發這個新

模型的動力,現在他們終於找到答案了,而且還附帶的解決了小行星帶的混合成員之謎,這倒是他們始料未及的。這個模型還有個額外的紅利,就是木星、土星和其他氣體巨行星的位置非常符合另一個「尼斯模型(Nice model)」,這個理論相當新,解釋了這些大行星們在太陽系較晚期歷史中的移動狀況。

大航向模型也讓我們太陽系比較類似目前所發現的其他系外行星系統。在許多案例中,「熱木星(hot Jupiters)」這種龐大的氣體巨行星都很靠近它們的母恆星,甚至是比我們太陽系中的水星還靠近太陽。對行星科學家而言,大航向模型顯示我們的太陽系在某些時期也和這些熱木星系統差不了多少,所以太陽系其實也沒那麼怪異、獨特,終於讓這些行星科學家釋懷一些。

資料來源:Jupiter’s Youthful Travels Redefined Solar System

轉載自台北天文館之網路天文網網站

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