天文學(xué)家數(shù)來數(shù)去都覺得不對勁：太陽系里肯定少了什么東西。

天王星和它的五個大衛(wèi)星。但在“平行宇宙”中，它可能連一個衛(wèi)星也沒有。NASA / Johns Hopkins APL / Mike Yakovlev

天文學(xué)家數(shù)來數(shù)去都覺得不對勁：太陽系里肯定少了什么東西。

太陽系在其45億年的演化史上，曾經(jīng)擁有過至少比今天多一顆的行星——這實際上已經(jīng)是一個存在了多年的推測。而現(xiàn)在，新的研究結(jié)果表明，這顆失蹤已久的行星留下的證據(jù)可能就在我們眼皮底下。

在大約30億至40億年前，太陽系巨行星不但軌道比今天更靠近太陽，它們相互之間的距離也要比今天近。天文學(xué)家認為，木星、天王星、土星和海王星是在彼此引力的一系列相互作用下，才逐漸轉(zhuǎn)移到今天位置上的。

近日以約翰·霍普金斯大學(xué)行星科學(xué)家Matthew Clement為首的一個科研團隊通過模擬，探索了行星之間的引力相互作用對木星和天王星衛(wèi)星的影響。模擬結(jié)果表明，木星和天王星的衛(wèi)星之所以能夠幸存下來，可能得益于一顆已經(jīng)不復(fù)存在的巨行星。

研究人員針對早期外太陽系的演化進行了122次模擬。在不同的模擬中，行星的初始組合和遷徙模式各不相同。通過這樣的模擬，人們希望發(fā)現(xiàn)哪些行星組合和遷徙模式，能夠產(chǎn)生與今天實際情況相似的外太陽系結(jié)構(gòu)。

在模擬中，研究人員重點關(guān)注了木星和天王星的衛(wèi)星。在重建受巨行星引力影響而發(fā)生改變的小行星等小天體軌道過程中，這兩顆巨行星的衛(wèi)星可以提供極佳的線索。因為它們在太陽系演化史上的大部分時間里，基本上都維持在當前的軌道上。木星的很多衛(wèi)星處于軌道共振中，這種共振的存在，表明這些衛(wèi)星在很長時間內(nèi)都處于相互之間的輕微牽扯中；與此同時，存在于它們表面的隕石坑也表明這些木衛(wèi)非常古老。

韋布太空望遠鏡拍攝的木星、木星環(huán)和兩顆木衛(wèi)。NASA / ESA / CSA / Jupiter ERS Team / Ricardo Hueso (UPV / EHU) / Judy Schmidt

模擬結(jié)果表明，木星和天王星的衛(wèi)星如此之多其實是一個小概率事件。木星的衛(wèi)星只有不到15%能夠經(jīng)歷巨行星的遷徙而幸存下來；而天王星衛(wèi)星的幸存率更是只有大約9%。有時候?qū)σ徊糠中l(wèi)星有利的情況，往往會對另一些不利。

在模擬中研究人員發(fā)現(xiàn)，如果給太陽系增加兩顆與天王星類似的冰巨星，木星的衛(wèi)星幸存概率會比較高；而如果只增加一顆冰巨星，木星和天王星的衛(wèi)星能夠同時幸存，但概率僅有大約1%。最終人們發(fā)現(xiàn)，只有在兩種情況下，這兩顆行星的衛(wèi)星才都能幸存至今，而這兩種情況都指向太陽系在最初階段曾經(jīng)擁有一顆額外的冰巨星。

研究人員表示，太陽系在其演化過程中充滿了極端罕見的高度不穩(wěn)定性，具體表現(xiàn)為天體之間的劇烈碰撞和復(fù)雜多變的軌道遷徙等。而模擬結(jié)果揭示了可能性最大的一種情形——太陽系在其演化之初擁有5顆巨行星——比今天多一顆。這顆多出來的巨行星是冰巨星。

在太陽系誕生后大約10億年時，木星遷徙到了距離這顆冰巨星僅700萬千米處，如此近的距離導(dǎo)致這顆冰巨星被加速到了逃逸速度，從而永遠地離開了太陽系。

這顆消失的冰巨星可能今天依然在寒冷而孤寂的某處星際空間流浪。但它的被逐，并非木星和天王星衛(wèi)星能夠幸存的原因。反而是它的曾經(jīng)存在，才是改變這些衛(wèi)星命運的關(guān)鍵。

這顆冰巨星的存在，曾經(jīng)微妙地改變了其他四顆巨行星的遷徙軌跡。比如它使得天王星多次避免了與其他巨行星發(fā)生近距離接觸，同時也使這段時期變短。

而這顆冰巨星和木星的接觸，雖然會擾動其衛(wèi)星軌道，卻還不至于使它們相互碰撞，或者離開木星進入行星際空間。

天王星和它的衛(wèi)星可能遭遇過兩次重大變故——第一次是遭到了某個巨大天體撞擊，這導(dǎo)致天王星整個側(cè)翻，變成了躺著運行的行星；第二次則發(fā)生在巨行星的遷徙期間。不過這兩次事件的強度都不足以徹底摧毀天王星的衛(wèi)星系統(tǒng)。

研究人員表示，模擬中最重要的參數(shù)是冰巨星的數(shù)量。這樣的模擬有隨機性，并不能精確重現(xiàn)實際情況，只是大致接近。但它強烈暗示，太陽系歷史上可能確實存在過一顆今天已經(jīng)消失了的行星。

王王星和它的部分衛(wèi)星。NASA / ESA / STScI / Christian Soto (STScI) / Joseph DePasquale (STScI)

參考

The fragility of the Uranian moons during the giant planet instability

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019103526001223