人类曾经认为地球是宇宙的中心,天上的日月星辰都在围绕着地球运行,后来人类才发现,原来地球只是太阳中的一颗行星,而在浩瀚的宇宙中,太阳也只是一颗不起眼的恒星,再后来,人类又发现宇宙中的恒星普遍都有自己的行星系统,于是人们就理所当然地认为,太阳系在宇宙中也应该是平平无奇的。
然而随着观测水平的不断提升,人类发现的系外行星也越来越多,在研究了大量的系外行星后,科学家却逐渐发现,与其他的行星系统相比,太阳系这种组合非常稀有,其稀有程度堪称是在宇宙中万里挑一。为什么这么说呢?这是因为太阳系有三个与众不同的特点。
第一个特点是,太阳系中的行星质量差异太大。在太阳系八大行星之中,除了地球与金星、以及天王星和海王星的质量比较接近之外,其余相邻的行星之间的质量差异都很大,尤其是木星,其质量之庞大,以至于它的质量,大概是其他的7颗行星的质量之和的2.5倍之多。
而其他的行星系统的情况却大不相同,已知的观测数据表明,拥有多颗行星的行星系统之中,行星的质量分布普遍都比较均匀,相邻的行星,特别是相邻的同类型的行星,其质量差异普遍都相差不大。
第二个特点是,太阳系中的行星分布得太过分散。在太阳系中,距离太阳第四近的行星——火星,其公转轨道半长轴就有1.52个天文单位,而距离太阳最远的行星——海王星,其公转半长轴更是高达30.07个天文单位。
(注:“天文单位”是天文学中用来计量天体距离的一种单位,其数值取地球和太阳的平均距离,大约为1.5亿公里)
相对而言,在其他的行星系统之中,行星之间的距离却要近很多,往往在距离主恒星零点几个天文单位之内,就运行着四五颗行星,甚至更多。
(↑图为部分已知的多行星系统,底部的“AU”即天文单位,可以看到,与太阳系中的行星相比,这些系外行星的分布显得非常“紧凑”)
第三个特点是,太阳系中的岩石行星太小。相信大家听说过“超级地球”,简单来讲,所谓超级地球,就是指比地球更大的岩石行星。观测数据表明,在已知的系外行星之中,超级地球所占的比例达到了30%左右,而与地球差不多大,或者比地球更小的岩石行星却很少,而我们都知道,太阳系中最大的岩石行星,其实就是地球……
(↑图为已确认的系外行星,其中的“Neptune-like”、“Gas Giant”、“Super Earth”、“Terrestrial”、“Unknown”分别是:与海王星类似的冰巨星、气态行星、超级地球、与地球差不多大或比地球更小的岩石行星、未知类型的行星)
正是因为这三个特点,使得太阳系这种组合非常稀有,但问题是,为什么会这样呢?对此,科学家提出了多种假说,其中一种被称为“大迁徙假说”(Grand tack hypothesis)的理论得到了较高的认同。
该理论可以简单地概括为,在太阳系的早期阶段,木星经历了一个迁徙过程,即:木星在最初形成后,曾向太阳系内侧迁徙,随后,木星又与土星形成了一种特殊的轨道共振(“内林德布拉德共振”,inner Lindblad resonance),由于这种轨道共振会使行星的公转速度增加,因此木星就停止了向内迁徙,并开始与土星一起向太阳系外侧反向迁移,直到越过了它初始形成位置之后,它才在太阳引力的作用下稳定下来(如下图所示)。
根据“大迁徙假说”,木星的这个迁徙过程对太阳系产生了深远的影响,一方面来讲,木星吸收了大量本该属于其他行星的物质,进而造成了太阳系中的行星质量的差异,也使得太阳系内侧没有足够的物质形成超级地球,另一方面来讲,在木星和土星向太阳系外侧反向迁移的过程中,会产生复杂的引力作用,这会带动其他行星运行轨道随之外扩,进而大幅拉开了太阳系各大行星之间的距离。
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