疯狂的行星,行星并非想象的那样简单

文章作者:勺子 | 2016-04-27
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都说坏消息可以上头条,所以我就开门见山啦。地球,作为我们在这个不友善的宇宙中的支柱和港湾,处在风雨飘摇之中。我们的太阳系是不稳定的。俄罗斯车里雅宾斯克的居民在当地时间2013年2月15日9时20分亲身经历了这种不稳定的状态。当时,一个直径15米多的小行星砸向地球大气层,在小镇上方爆炸。这次爆炸震碎了居民的窗户,使当地一家锌厂的屋顶坍塌,造成1000多人受伤。

在感恩节那天,数百万人看到了艾森彗星的录像。在录像中,这颗45亿岁的老彗星像天鹅一样冲向太阳,在几小时内沦为一团飞溅的碎石。但这些事件都仅仅是有关太阳系如何形成和演化的最新理论图景中的像素而已。碰撞和错位不是偶然的异常现象,而是一个基本的宇宙状态。

法国尼斯天文台的行星动力学专家亚历山德罗· 莫比德利说:“疯狂的行星,行星并非想象的那样简单,永远保持安宁。行星形成时并不知道自己需要有一个良好的轨道以便稳定运行几十亿年。因此,它们只是暂时稳定,不会在恒星系的整个历史中保持不变。”

地球在混沌中造就,在混沌中生存,也很可能在混沌中终结。

当莫比德利用欢快的意大利口音给我解释这一切时,我注意到他的姓具有严肃的含义——我们是宇宙混沌制造的。他与同事正在详论有关我们这个天宅的最新发现:不稳定是我们的自然状态。几个世纪以来,牛顿及其追随者做了这样的设想:太阳系就像神圣的发条在运转。但在过去的10年中,高精度的数学模拟显示出他是多么错误。卡尔·萨根的宣言很著名:“我们是恒星物质构成的。”

莫比德利说:“你可以环游银河系,50亿年后回来,然后发现水星没有了,地球在一个偏心轨道上运行,这对生命是灾难性的。”我想,人们很容易愉快地谈论谁也不可能活着去经历的事情。不过,在他开始列举太阳系的变迁时,语气一点儿也没有变。

莫比德利说:“小行星带、柯伊伯带和奥尔特星云都不稳定。”这种不稳定性是地球和其他行星形成时留下的混沌痕迹。车里雅宾斯克的流星来自小行星带,也许起源于大约3万年前的一次碰撞。在海王星轨道外,柯伊伯带和奥尔特星云可以倾斜着将天体甩向我们,比如那里的无数个休眠彗星。这就是艾森彗星的来源。

在车里雅宾斯克灾难之后,莫比德利及其同事聚在一起,试图理解这种不稳定性暗示着什么。流星撞击似乎比他们的预测频繁很多。2014年,他们提出了最新结论:类似车里雅宾斯克事件出现的概率是他们先前预测的10倍。悬而未决的过去和现在之间没有明显的区别。

莫比德利以类似于量子不确定性的观点取代了牛顿的发条论,认为一切都是由生存概率决定的。随着时间的推移,太阳系中的每一个可能会被破坏、分散或弹出的物体最终将会被破坏、被分散或被逐出。地球就是这么来的,这就是它今天存在的状态。

太阳系在很大程度上是以目前的形式存在的(行星的组合及特点几乎是注定的),在科学史上有很深的根源。牛顿之前可以追溯到13世纪的僧侣约翰内斯·德·萨克罗伯斯科的著作,他用清晰的几何模式描述了宇宙。你可以画一条线,一直画到亚里士多德的完美天体。令人惊讶的是,这个基本理念一直持续到太空时代。

回想起来,那个简单而且令人舒心的观点早在许多科学家认识到发生了什么之前就开始得到阐释。早在20世纪70年代,试图模拟太阳系形成的理论模型不断得出意外结果:行星疯狂迁徙,朝向太阳或远离太阳,结果是一团糟。科罗拉多州博尔德西南研究所太阳系动力学研究员凯文·沃尔什说:“这都是纸上文章,马上就被忽略就像有些文件上漫不经心的评论,没有谁认为行星迁移是一个重要的过程。”

这个观点拖延了几十年,直到一系列划时代的发现迫使理论家重新思考。1995年,瑞士两位天文学家探测到飞马座51b,这是飞马座内绕着一颗昏暗的黄星运转的行星,距离地球50光年。这是人类发现的第一颗绕着类似太阳的恒星运转的行星。这颗行星呈气态,大小类似木星,理论上只能在远离其母星的冰冷区形成。但是,飞马座51b 就在那里,紧贴着灼热的恒星运行。天文学家能想出的唯一解释是:这个星球在远方形成,然后由于某种未知原因突然转向飞了进来。他们将这个令人困惑的世界称为“热木星”,想知道它是否是偶然现象。

结果不是。一年之内,美国的另一团队发现两颗更热的类木星。目前,已有几十个类似的天体被编入目录。随着天文学家搜寻水平的提高,他们开始找到一些原来不大可能想到的行星。有些行星在高度椭圆的轨道上,有些以陡倾角围绕其恒星旋转,甚至还有倒转的。这样的组合从物理角度是无法解释的,除非行星在某个点剧烈迁移过。如果这个过程发生在其他恒星周围,就可能发生在太阳系。沃尔什说:“那就是真的开始了。”

碰撞和位移不是偶然现象,而是宇宙的一个基本状态。

2009年,沃尔什在尼斯天文台做博士后,他与莫比德利是同事。沃尔什已经是太阳系动力学专家,现在他着迷于移动行星的概念,埋头探索这个过程是如何实现的。他专注于太阳系形成的最早阶段,而莫比德利研究的是后期第二阶段的不稳定性。

让行星在一个新生的太阳系数学模型中移动是非常容易的。正如那些理论家20世纪70年代发现的那样,问题在于寻找行星不能移动的途径。哈勃空间望远镜和其他大型观测台收集到的数据表明,在这个大画面里,婴幼行星从一个围绕刚刚形成的恒星旋转的气尘盘(天文学界称其为原行星云)上出现,在最初的几百万年里,它充其量只是飘浮在这个盘里的一些碎片而已。沃尔什说,这片星云大致是行星重量的1000 倍,所以云气可以将周围的行星剧烈推动。他意识到,早期的太阳系一定更像碰碰车而不是发条,如果完全接受不稳定观点并用它得出逻辑推论,就可以解释之前难以解释的有关太阳系的许多问题,比如火星为什么那么小、小行星带是如何形成的,以及地球的化学构成为什么会与最初的形成模型预测的大相径庭。

沃尔什把他的想法编织成一个理论,称之为大航向模型,从一个全新的惊人角度对太阳系行星如何形成进行了描述。目前,木星的轨道比地球宽5.2倍, 仍然维持11.8年这个节拍。但是沃尔什认为,木星最初形成之处实际上比现在远很多,时间是太阳系形成的最初500万年里,那时发生过一系列剧烈俯冲。它先受星云中致密云气的影响向内盘旋,到了火星现在的位置(大约是地球到太阳距离的1.5倍);然后被新形成的土星猛拉一把,迁移到木星的当前位置。整个过程花了大约50万年的时间——对人类来讲是永恒,但是对有4 6亿年历史的太阳系来讲只是极快的瞬间。

这时我问,那么大的一颗行星徘徊时会发生什么?沃尔什回答说:“哦, 它带来了地狱!这真是一个巨大的行星,它到处飞,就像一个巨大的雪犁,基本上清除了它前方的一切。”

你去游泳,或者喝一口水,都得益于太阳系根本的不稳定性。

对我们来说,幸运的是在木星移动时地球还没形成,否则地球会因坠入太阳或陷入黑暗中而被遗忘。这颗巨行星对太阳系内部的影响更多是间接的。木星像雪犁一样冲过大群冰冷的彗星和小行星,把这些富含水分的物体撒向正在成长中的地球。沃尔什说:“我们地球上的大部分水是木星向外迁移时散射的结果。”因此,无论何时你去游泳,或者喝一口水,都得益于太阳系根本的不稳定性。

木星的迁移通过许多方式重塑了太阳系:移入时它清除了原来小行星带上的一切,离开时又留下新的物体填充空间;它重组了彗星的布局,阻碍了火星的生长,使其成为一个寒冷的、空气稀薄的世界;同时,木星在靠近地球一侧沉积了足够的物质,因此地球与一个残留的行星内核发生碰撞,有观点认为,这个灾难的残骸形成了月球。

木星完成漫游后,太阳系看起来稳定了,但这只是表象而已。相反,它已准备好了第二个伟大的剧变,这是一个已经困惑了科学家半个世纪的变化。

美国航空航天局的“阿波罗”计划取得了许多显著的成绩,而这个活动最伟大的馈赠是宇航员带回的382千克月岩。在地球上,几乎所有表明太阳系早期历史的杂乱无章的证据都已被岁月、生物活动以及大陆漂移磨蚀,但月球上没有这样的事,它的表面完整地记录着长久以来撞击月亮的所有小行星的化学成分。在当时,行星科学家认为太阳系是从无序稳定地走向有序的:太阳系形成后发生了许多冲撞,然后随着月球清扫最后遗留的碎片而迅速结束。然而,写在岩石里的故事根本不是那样。

地球化学家福阿德·特拉、迪米特里· 帕帕纳斯塔西欧和杰拉尔德· 瓦塞伯格仔细筛选月球上的材料时,发现由于冲击而形成的大多数材料的年龄在39亿年左右。月球在太阳系形成7亿年之后显然经历了另一场小行星的剧烈撞击,研究人员称其为终级月球灾难,现在叫作后期重轰炸期。无论怎么称呼,它在书本上已经停留了几十年,读者都知道它是太阳系的一大未解之谜。原文地址:http://www.ufo-1.cn/article/201604/928.html

2005年左右, 莫比德利决定寻找解决这个问题的突破口。他联合其他三位研究者,包括哈罗德· 利维森(他是沃尔什在西南研究所的邻居和合作者,曾结合后期重轰炸期与此前太阳系形成时的不稳定性撰写了一系列论文)提出了“尼斯模式”(莫比德利在这个法国小镇工作)。该模式是目前关于太阳系第二波毁灭性撞击最受认可的解释。

根据这一模型,在木星迁移回去和太阳喷出诞生星云之后,太阳系再没找到稳定的模式。在海王星的不远处有一个巨大的彗星云团在围绕太阳运转,缓慢而又无情地玩弄着引力的恶作剧,这就是现在的柯伊伯带。

起先,海王星的轨道与木星的同步,保持着一种共振模式。木星绕太阳三圈,海王星绕太阳一圈。共振往往会保持稳定。然而,在数百万年前,这个彗星云团拖着海王星进入一个新的轨道。莫比德利说:“当海王星与木星结束了共振,太阳系‘砰’的一声,彻底不稳定了。然后暴力演变开始。”海王星迁移出来,把彗星甩向内侧;这些彗星到达木星,木星把它们甩到更远的地方;木星相应地向内迁移。

最终,土星、天王星和海王星进入更遥远的轨道,木星进入了比它现在更近的轨道。莫比德利的同事戴维· 奈斯沃尔尼提出这样一个版本:太阳系最初有第5个巨大的行星,在这次骚动中被完全驱逐。如果事情真是这样的话,它目前正独自徘徊在恒星之间。大多数彗星被放逐到奥尔特星云,远离了这些行星。其他许多彗星和小行星冲向太阳,有不少撞上月球、地球和其他内行星。

这个地狱般的时代的痕迹虽然已经从地球上消失,但是有些狂舞的碎片仍然存在。奥伯林学院的布鲁斯· 西蒙森正在追踪那个时代残留下来的最明显的证据:滚珠大小的玻璃球(由小行星或彗星熔化的岩石形成)和高浓度铱元素(陨石上比地球表面更为常见)。地球的两个最古老的岩床,一个在澳大利亚西部,另一个在南非,保存的信息至少可以上溯到34亿年以前。在过去的20年里,西蒙森一直在那里勘探后期重轰炸期给地球带来的冲击及其留下的痕迹。

他得出的最有趣的结果是,小行星雨可能持续了相当长的时间,直到25亿年前或者更近才停止。 西蒙森说:“有证据表明,这是一个渐进的倾斜,我们认为这是有说服力的证据。”如果他说得对,小行星对地球的经常性撞击可能一直持续到了有生命的时代,大约在35亿年前。他还发现他在技术上称之为“大屁股冲撞”的撞击迹象,比毁灭恐龙的撞击大许多倍。

令人惊讶的是,他认为生命在这样的陨石雨中坚持生存了下来。他充满信心地说:“我不是很热衷所谓的冲撞和灭绝理论,冲撞造成灭绝的事件我们唯一可以明确的是白垩纪末(恐龙就是这个时期灭绝的)的那次。”他认为,总体而言,物种的灭绝更可能是巨大的火山爆发引起的,是由大陆和海洋结构上的变化导致的。

在后期重轰炸期,小行星撞击地球的频率至少是现在的1000倍。 类似的情况还可能发生吗?不可能。这是莫比德利和沃尔什坚定的回答。最早的两次行星重置已经将小行星带和柯伊伯带的天体清理了99.9%,剩余的不足以再制造一次3 9亿年前的那种混沌。

水星会发疯,开始遭遇金星,然后金星和地球的轨道也变得不稳定起来。

那我们可以洗洗睡了?还是不行。莫比德利说:“类地行星不完全稳定。水星是在不稳定的边缘,它会发疯,开始遭遇金星,然后让金星和地球的轨道变得不稳定。”在那里,金星可能与地球相撞,地球也可能倾斜到一个全新的轨道,不再有生命。这种概率不大,但也不是极小,在以后的几十亿年里,其概率大约是1%。

我问莫比德利,这个概率意味着什么。他放下电话,停顿了一会儿,我在另一边听见他与办公室的什么人确认(“水星发狂的概率是多少?”),然后他跟我说:“是的,是1%。”他提醒我说,能够引发整个灾难的微妙变化就像天气一样混乱不堪,难以预测。这样的变化可能正在积聚。

我们回到太阳系的概率观,即大自然在为这个系统建立一些内在的不确定性。沃尔什说:“也许不确定性就是跟地球一样复杂的行星的生活的一个部分,是混沌阻碍着我们真正理解它。”

目前一定有其他灾难性小的、更容易理解的不稳定性在起作用。彗星还在引力的作用下从柯伊伯带逃离,它是后期重轰炸期一个挥之不去的残存。除了行星引力的恶作剧,阳光也产生轻微的压力,即亚尔科夫斯基效应,不断改变小行星的路径,保证撞击的风险永远不会消失。

但是,莫比德利对自己的研究并不感到沮丧或悲观,我跟他越聊越能接受他的观点。不稳定性是一种机制,它将一般的和无聊的东西转变为具体而有趣的东西,无论是人还是恒星系。他说:“如果你想描述一个人的总体进化,那么就是他出生了,然后他死了。如果你想详细描述一个特定的人,就不能按照一个总体方案去做。总体方案是有的,但是有大量具体的细节会使你成为现在的你。对一个恒星系来说,也是一样的。这就是混沌:对细微的变化极度敏感。”

对莫比德利来说,我们不是在与一个充满敌意的宇宙战斗,我们是它的一部分。这个天文学家显然已经花了很多时间思考他的研究对自己的意义。他依旧诗情画意般地总结道:"恒星系的演化在找到最终的和平之前是踏着不稳定的步伐前进的。这几乎可以说是一种佛教的宇宙观:万物向智慧、和平和稳定进发,但是都要经历革命性的重大事件。"

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