大遷徙假說

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木星可能在它的 大遷徙中塑造了太陽系

大遷徙假說行星天文學的議題,認為木星在距離太陽3.5天文單位之處形成以後,曾經遷移到1.5天文單位,並且在逆轉航向之前,因為捕獲土星軌道共振,最終停止在5.2天文單位之處。木星遷徙的軌道逆轉路徑被比喻為帆船的改變航向(逆風行駛英语Tacking (sailing)[1]

微行星盤在1.0天文單位被木星的遷移截斷,限制了可用於形成火星的材料[2]。木星兩次經過小行星帶,將小行星向外散射。因此造成小行星帶的天體軌道有低質量、較大的傾斜角和離心率,以及散布在原始木星軌道的兩側[3]。在木星前方,被掃掠過的星子之間碰撞產生的碎片,可能會驅使早期形成的行星落入太陽[4]

敘述[编辑]

在大遷徙模型中,木星在形成後經歷了兩階段的遷移,在向內遷徙到1.5天文單位之後,逆轉航向向外遷徙。木星大約在3.5天文單位的雪線附近形成,在清理出氣體盤中的空隙之後,木星經歷II型遷移與氣體盤一起緩慢地朝向太陽移動。如果未被打斷,這種遷移會使木星像在其它行星系統中發現的熱木星一樣,在接近太陽的軌道上運行[5]。土星也朝向太陽遷移,但是因為越小遷移的速度越快,它的遷移可能是I型遷移或失控的遷移[6]。土星在與木星軌道是2:3的平均運動共振上被木星捕獲。在木星和土星周圍氣體盤面上的空隙形成重疊[7],改變了這些正在一起遷徙的行星之間的力量平衡。土星局部的清除了他的部分空隙,減少了外盤施加在木星上的扭距。在行星上的淨扭距因而變成正值,由內部的林達博共振所產生的扭距超過了外部的盤面,行星開始向外遷移[8]。由於行星間的相互作用使氣體流經縫隙,所以像外的遷移能夠繼續[9]。當行星經過時,氣體與行星的角動量交換,增加了扭距的正平衡,並將盤面外側的質量轉移到盤面的內側,使行星能夠相對於盤面向外遷移[10]。氣體轉移到盤面的內側,也減慢了因為盤面內側質量若入太陽而相對於外側盤面的減少。否則會因為削弱了內部的扭距,從而結束行星向外的遷移 [8][11]。在大遷徙假說中,這個過程被假設發生在木星向內遷移至1.5天文單位時被逆轉[6]。如果盤面是開展的,木星和土星會繼續向外遷移,直到他們達到穩定的平衡[12];或者氣體圓盤消散,木星和土星就應該停留在現在的軌道附近[6]

大遷徙假設的範圍[编辑]

這個假設可以適用於太陽系中的許多現象。

火星問題[编辑]

木星的大遷徙限制了火星形成可以用的材料,解決了火星的問題。火星問題是類地行星形成的一些模擬上的矛盾,在開始時星子分布在整個內太陽系,在這個區域的行星質量應該在0.5-1.0地球質量[13],比火星的實際質量,0.107地球質量大得多。木星向內的遷移改變了這種質量的分布[14], 驅動了星子朝內移動,在1.0天文單位之處形成了一個狹窄的材料密集與混合的區域[15],留下幾乎是空的火星區域 [16]。行星胚胎在狹窄的帶狀區域迅速形成,之後大量的碰撞和合併形成大質量的類地行星(金星地球),還有些則散射到這個區域之外[6]。 這些散射掉的行星胚胎,被剝奪了增長的材料而減緩了它們的成長,形成低質量的類地行星:火星和水星[17]

小行星帶[编辑]

木星和土星在遷徙期間從最初的軌道上驅逐了大多數的小行星,留下的是在其內側和外側被激發後的殘餘。在遷移之前,周圍的區域由與太陽距離不同的小行星組成[18]。岩石的小行星主宰了內部的區域,而更原始和冰冷的小行星則主宰了雪線以外的周邊區域[19]。當木星和土星向內遷移時,15%的內側小行星被散射至土星之外的軌道上[2]。逆轉航向後,木星和土星先遭遇到的這些天體,大約有0.5%的原始族群被向後散射至穩定的軌道上[6]。後來,當木星和土星遷移至周邊區域時,大約0.5%的原始小行星被散步到小行星帶的軌道上[6]。與木星和土星的遭遇,留下了許多有著高軌道傾角軌道離心率的被捕獲小行星[16]。一些冰質的小行星也被留在稍後形成類地行星的區域,就像含冰的小行星撞擊它們一樣,讓水能被運送到共生的行星上[20][21]

後續發展[编辑]

太陽系中沒有軌道很靠近的超級地球,可能是木星向內遷移的結果[22]。當木星向遷移時,星子在平均運動共振中被捕獲,導致它們的軌道收縮,軌道離心率也增加。隨之而來連綿不絕的碰撞,因為它們的相對速度變得夠大,產生災難性的影響。由於在氣體盤中被拖拽,因此產生的碎片會以螺旋路徑墬入太陽內。如果早期的太陽系中有超級地球,它們就會在共振中捕捉到大部分的碎片,並可能在前方被驅進太陽內。當木星反轉航向時,現在的類地行星才從留下的星子中形成[23]。然而,如果碎片結合成較大的物體,減少了氣體的阻力,遷移靠近太陽的超級地球就可以避免軌道進入太陽內;如果行星盤內有空腔,它們向內的移動可能會在邊緣附近停止[24]

土衛六泰坦的周圍有濃厚的大氣層,木衛三和木衛四的周圍也有大氣層的存在,可能是它們的形成與大遷徙的時間有關。如果木衛三和木衛四形成在大遷徙之前,它們的大氣層將會因為木星移動靠近太陽而失去。然而,對於泰坦而言,要避開土星的I型遷移,它一定是在大遷徙之後才形成,所以才有大氣層的存在[25][26]

巨型行星通過小行星帶的遷移產生了撞擊速度的峰值,這可能導致CB球粒隕石的形成。CB球粒隕石是金屬量豐富的碳質球粒隕石,富含鐵鎳結節,是在4,800±300萬年前的衝擊融化後形成的第一批固體。這些金屬的汽化需要每秒大於18公里的高速撞擊,這遠遠大於標準吸積模型最大12.2公里的時速。木星在小行星帶的遷徙增加了小行星的軌道離心率和軌道傾角,引發了週期50萬年,速度足以使金屬蒸發的撞擊。如果CB球粒隕石的形成是由於木星的遷移,它將發生在太陽系形成後的450-500萬年[27]

繼大遷徙之後,來自類地行星的攝動和尼斯模型的不穩定性改變了剩餘小行星的軌道分布。造成的軌道離心率和軌道半長軸分布與當前的小行星帶相似。一些低軌道傾角的小行星被移除,留下的是與目前的小行星帶比較略為偏激的小行星[28]

最近,從一個狹窄的環形環帶形成行星的建模表明火星的快速成長。如果寡頭成長階段結束在多數胚胎行星的大小與火星相似,且星子佔的比例不大時,月球形態大小的撞擊,是形成月球和地球質量再增生的最佳時期。在這個劇本下,月球是在6000萬至1億3000萬年之間的撞擊下形成的第一個固體[29]

與其它胚胎行星的接觸可能使圍繞著火星的盤面不穩定,從而減少了形成火星形成的衛星質量。在火星與其它的行星接觸後,它繼續與其它的天體相遇,直到行星完全清除內太陽系的物質。雖然這些相遇使火星軌道於其他行星脫鉤,並且維持在一個穩定的軌道上,但它們也可能擾亂了形成火星衛星的物質盤面。這些擾動導致物質逃離火星的軌道並撞及其表面,從而減少了盤面的質量,因而形成較小的衛星[30]

利用包括黏性加熱和胚胎行星遷徙在內的行星盤模擬類地行星的形成,顯示木星的遷徙可能在2.0天文單位之處逆轉。在模擬中,胚胎行星的軌道離心率是受到木星擾動激發的。當這些離心率受到最近的模型中密集的氣體盤阻尼時,胚胎行星的半長軸減縮,固體物質密度的峰值向內移動。為了模擬木星的遷徙在1.5天文單位處反轉,導致質量最大的類地行星在金星軌道的附近形成,而不是在地球的軌道上。相反的,木星在2.0天文單位處折返的模擬結果更接近目前的太陽系[9][31]

如果火星的成分和金星與地球不同,那麼火星的沉積物生成一定是在大遷徙形成的狹窄物質環外發生的。在由大遷徙形成的環中成長的行星,在長成後會有相似的成分。如果大遷徙發生的時間較早,成為火星的胚胎相對較小;如果它是向外散射而不是像小行星向內,火星就會有不一樣的組成分。發生這種情況的機率大約是2% [32]

後來的研究表明,在漸漸消退的太陽星雲中,土星和木星遷徙的匯聚軌道不太可能建立3:2的平均運動共振。取代支援更快的失控遷徙,星雲的條件導致土星的遷徙速度減慢,並在2:1的平均運動共振中被捕獲[11]。在2:1的平均運動中捕獲的木星和土星通常不會逆轉遷徙的方向,但可以確定在特定的星雲結構下,可能會推動向外地遷移[33]。然而,這些配置往往會激發木星和土星軌道離心率的數值,其值介於實際值的三倍之大[33]。同時,如果氣體的溫度和粘滯度允許土星產生更深的縫隙,由此產生的淨扭矩會再次變為負值,從而導致系統的巷內遷徙[11]

大遷徙的劇本忽略了在木星和土星上不斷累積的氣體[34]。事實上,為了推動向外的遷徙和移動行星接近它們目前的軌道,太陽星雲必須包含足夠的天然氣體庫圍繞著這兩顆行星的軌道。然而,這種氣體將提供一個吸積的來源,會影響木星和土星的生長和質量的比率[11]。 能在3:2 的平均運動共振中捕獲的星雲密度類型對兩個行星的生存特別危險,因為它可以導致值得注意的大質量行星生成,和行星-行星的散射。但是,導致2:1平均運動共振系統的條件也可能使行星處於危險之中[35]。在兩顆行星上的氣體堆積也會減少對內盤的供給,從而降低對太陽的吸機率。這個過程的工作是消耗盤面在木星軌道內側的部分氣體,削弱了木星的扭矩產生的內部林達博共振,並可能結束行星的向外遷移[11]

另類選擇[编辑]

擁護者[编辑]

在2014年,第45屆月球和行星科學大會,Seth A. JacobsonAlessandro Morbidelli、D. C. Rubie、Kevin WalshDavid P. O'Brien、Sean Raymond、S. Steart和S. Lock共同發表標題為行星形成於內部大遷徙的模型,說明從大量的N體數值類比的類地行星形成過程的結論[36]

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

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