动力学|地球成形之前，巨行星轨道或曾有过一场“车祸” 巨行星|轨道|太阳系|行星

太阳系诞生之初，星际空间中的气体分子云坍缩，中心部分形成了太阳，残余物质绕恒星旋转形成了一个扁平的原行星盘，这个时期也被称为太阳系的气体盘时期，行星成长在行星盘内，与盘中气体相互作用，轨道逐渐圆化并向内迁移。
科学家尝试通过研究木星、土星、海王星等天体的动力学变迁，求索太阳系的成长历程。采访人员从浙江大学获悉，该校物理学院刘倍贝研究员与法国波尔多大学雷蒙德教授、美国密歇根州立大学雅格布森教授共同提出太阳系巨行星轨道演化的新模型。他们指出，在太阳系形成初期，原行星盘受到太阳光致蒸发作用，盘中气体从内向外耗散诱发了巨行星轨道的重塑并引发动力学不稳定。相关研究成果近日刊登于《自然》杂志。
新模型显示巨行星轨道不稳定发生时间更早
巨行星轨道演化对包括地球在内的其他行星、卫星和小天体的演化，以及地球生命起源、地球宜居性等多方面影响深远。
学界认为，在太阳系的气体盘时期，太阳系的土星、木星、天王星、海王星等四大巨行星通过迁移进入轨道共振态，即相邻行星的公转周期为整数比。现今，四大巨行星的轨道分布更为开阔，巨行星也已脱离了原有的共振状态，巨行星的轨道或许经历过动力学剧变。
“想象一条车辆正常流通的高架桥，如果有车辆发生碰撞追尾，整个高架桥的行车秩序就会被打乱。 ”刘倍贝说。
当前描述太阳系巨行星演化最流行的模型是尼斯模型。尼斯模型认为，巨行星轨道不稳定发生在太阳系诞生数亿年之后，那时原行星盘气体耗散，巨行星与外部的星子盘（由直径为数公里到上百公里的星子组成）相互作用不断交换轨道能量，最终使得行星摆脱共振束缚并引发动力学不稳定。由于该过程的能量交换十分缓慢，轨道不稳定属于太阳系诞生数亿年之后的“晚期不稳定” 。
刘倍贝团队提出，前人的研究忽略了气体盘耗散过程中行星受到气体的反向作用力。可以用气体盘的耗散来解释行星轨道的演化，这是尼斯模型没有考虑到的因素。
“在气体盘演化的晚期，太阳辐射的高能光子直射行星盘，形成的强劲光压首先吹散了靠近太阳的气体，行星盘内部出现了中空的结构。后续光压由内向外逐步驱散盘中剩余气体，行星盘质量伴随着盘内边界向外扩张而减小，这个过程被称为行星盘的光致蒸发。 ”刘倍贝说，这时太阳就好比一个巨型吹风机，不断“吹”走盘中的气体。
【动力学|地球成形之前，巨行星轨道或曾有过一场“车祸”】刘倍贝团队通过理论计算发现，由于原初气体盘的内边界处气体的快速耗散，行星在该处受到向外的气体作用力，这与行星在原初气体盘的其他位置受到向内的力截然不同。当气体盘内边界由光致蒸发向外扩张时，原本向内迁移的行星改变运动方向，随内边界共同向外移动。巨行星由于质量不同，它们向外迁移的速度也不同，从而打破原轨道共振态并引发了动力学不稳定。
“团队研究表明，该过程导致的动力学不稳定紧随着气体盘耗散，在太阳系诞生后约500万到1000万年间发生。有别于尼斯模型，我们的模型中巨行星轨道不稳定发生的时间更早。 ”刘倍贝说。
太阳系内其他天体为新模型提供了佐证
上述论文提出，早期巨行星轨道的动力学不稳定，导致起初的四大巨行星与另一个冰巨星在气体盘耗散时经历了大幅度轨道变化，冰巨星与木星触碰后被甩出太阳系，达到四大巨行星最终稳定的轨道分布，这与如今观测结果吻合。