木星形成后不久，它隨著旋轉(zhuǎn)的氣體流動，被慢慢拉向太陽。土星也被拉進(jìn)來，當(dāng)兩顆巨行星相互靠近，它們的命運(yùn)就變得緊密相連了。當(dāng)木星到達(dá)火星現(xiàn)在的位置時(shí)，它們掉入太陽的死亡螺旋停止了，之后這對巨行星轉(zhuǎn)向移動并離太陽越來越遠(yuǎn)。開發(fā)這種早期太陽系模型的研究人員將其稱為“大遷徙假說（Grand Tack）”。
Credit: NASA/GSFC
長期以來，木星一直是我們太陽的第五顆行星，但是它年輕時(shí)可是個(gè)流浪者。在很久以前，這顆巨行星朝著太陽系中心移動，之后又向外遷徙，一度到達(dá)現(xiàn)在火星的位置。木星的旅程深深地影響了太陽系，改變了小行星帶的性質(zhì)，使火星變得比它應(yīng)該的更小。這些細(xì)節(jié)基于由國際團(tuán)隊(duì)（包括位于馬里蘭州格林貝爾特的NASA戈達(dá)德太空飛行中心）開發(fā)的早期太陽系的模型。研究結(jié)果在一篇2011年6月5日發(fā)表在《自然》的論文中報(bào)道。
“我們將木星的路徑稱為‘大遷徙假說（Grand Tack）’，因?yàn)檫@項(xiàng)研究的主題是木星向太陽移動，然后停止，轉(zhuǎn)身，向外遷移，”該論文的第一作者、西南研究所（Southwest Research Institute，位于科羅拉多州博爾德市）的Kevin Walsh說，“這種方向的變化就像帆船在浮標(biāo)繞半圈返航一樣（注：帆船這種操作的動詞稱為‘tack’）。”
根據(jù)新模型，木星在大約3.5個(gè)天文單位（注：1個(gè)天文單位，即1AU，是一個(gè)平均日地距離）的區(qū)域形成。因?yàn)楫?dāng)時(shí)大量的氣體仍在太陽周圍旋轉(zhuǎn)，這顆巨大的行星被氣體所吸引并拉向太陽。木星慢慢地向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，直到它停在大約1.5個(gè)天文單位的距離，大約是火星現(xiàn)在的位置（當(dāng)時(shí)火星還不存在）。
“我們推測木星停止向太陽移動是因?yàn)橥列牵盢ASA戈達(dá)德的行星科學(xué)家、該論文的共同作者Avi Mandell說。其他合著者有法國尼斯的天文臺（Aservandire de la Cote d'Azur）的Alessandro Morbidelli、法國波爾多天文臺（Observatoire de Bordeaux）的Sean Raymond、和行星科學(xué)研究所（Planetary Science Institute，位于亞利桑那州圖森）的David O'Brien。
像木星一樣，土星在形成后不久就也被引向太陽。該模型認(rèn)為，一旦兩顆巨行星相互靠近，它們的命運(yùn)就會永久地聯(lián)系在一起。漸漸地，兩個(gè)行星之間的所有氣體被驅(qū)逐出去，使它們向太陽的死亡螺旋停止，并最終逆轉(zhuǎn)它們的運(yùn)動方向。這兩顆行星一起向外行進(jìn)，直到木星達(dá)到當(dāng)前位置的5.2AU，土星則停留在大約7AU。（后來，其他力將土星推向了9.5AU，到達(dá)它今天的位置。）
這趟“旅行”花費(fèi)了數(shù)十萬到數(shù)百萬年，影響非凡。
在藝術(shù)家的概念圖中，氣體和塵埃（制造行星的原材料）圍繞著一顆年輕的恒星旋轉(zhuǎn)。我們太陽系的行星形成于太陽周圍類似的氣體和塵埃盤。
Credit: NASA/JPL-Caltech
木星的足跡
Mandell說：“木星的遷入遷出可以解決小行星帶的長期謎團(tuán)：為什么它由干燥的巖石小天體和含冰小天體組成?！?/p>
天文學(xué)家認(rèn)為小行星帶的存在是因?yàn)槟拘堑囊ψ柚沽四抢锏膸r石材料聚集在一起形成一顆行星，所以該區(qū)域仍是一個(gè)松散的材料集合。一些科學(xué)家此前曾考慮過木星在某些時(shí)候可能會靠近太陽的可能性，但這導(dǎo)致了一個(gè)主要問題：如果這樣，木星會將小行星帶中的物質(zhì)打散，小行星帶將不復(fù)存在。
“很長一段時(shí)間，這個(gè)想法限制了我們想象中木星可能的活動，”Walsh指出。
大遷徙假說不是讓木星在向太陽移動時(shí)摧毀小行星帶，而是說木星擾亂物體并將整個(gè)區(qū)域推得更遠(yuǎn)。 “木星的遷移過程緩慢，”Mandell解釋說，“所以當(dāng)它接近小行星帶時(shí)，這不是一次猛烈的碰撞，而是更像緩慢的互繞步（do-si-do），木星會使小天體偏轉(zhuǎn)，最后基本上會與小行星帶轉(zhuǎn)換位置。 “
同樣地，當(dāng)木星遠(yuǎn)離太陽時(shí)，行星將小行星帶向內(nèi)推，使它到達(dá)我們熟悉的位置（火星和木星軌道之間）。而且因?yàn)槟拘潜戎白叩酶h(yuǎn)，到達(dá)了存在含冰物質(zhì)的區(qū)域，巨大的行星使這些含冰小天體偏向太陽并進(jìn)入小行星帶。
“最終結(jié)果是，小行星帶中有來自內(nèi)太陽系的巖石物體和來自外太陽系的含冰物體，”Walsh說， “我們的模型與不同材料的物質(zhì)所應(yīng)在的位置一致，就像我們今天在小行星帶看到的那樣。”
可憐的火星
木星在內(nèi)太陽系流浪時(shí)產(chǎn)生了另一個(gè)重要影響：它的存在使得火星比本應(yīng)形成的更小。 “為什么火星如此之小一直是我們太陽系形成中無法解決的問題，”Mandell說道，“這是團(tuán)隊(duì)開發(fā)太陽系形成新模型的最初動力?！?/p>
由于火星形成于比金星和地球更遠(yuǎn)的位置，它可以吸引來更多的原材料（原因請看注釋），應(yīng)該比金星和地球更大；但是，它反而更小。 “對于行星科學(xué)家來說，這根本說不通，”Mandell補(bǔ)充道。
但是，如果正如大遷徙假說所表示的那樣，木星在內(nèi)太陽系中溜達(dá)了一段時(shí)間，它就會分散一些可用于制造行星的材料。大約1AU外大部分材料都會被木星打散，只留給1.5AU處的火星一些微薄的原料。然而，地球和金星并不受影響，它們?nèi)匀辉诓牧县S富的區(qū)域形成。
“憑借大遷徙假說，我們開始著手解釋火星的形成；同時(shí)，我們不得不考慮小行星帶，”Walsh說，“令我們驚訝的是，該模型對小行星帶的解釋成為最好的結(jié)果之一，并幫助我們比以前更好地了解它?！?/p>
另一個(gè)意外收獲是，新模型將木星、土星和其他巨行星置于與“尼斯模型（Nice model）”非常吻合的位置，這是一個(gè)相對較新的理論，可以解釋太陽系歷史中這些大行星的運(yùn)動。
大遷徙假說也使我們的太陽系與迄今為止發(fā)現(xiàn)的其他行星系統(tǒng)非常相似。在許多情況下，被稱為“熱木星（hot Jupiters）”的巨大的氣體巨行星離它們的主星非常近（注：一般只有0.015-0.5AU，而木星軌道半徑約為5AU），比水星離太陽更近。對于行星科學(xué)家來說，這種新發(fā)現(xiàn)的相似令人感到欣慰。
Walsh說：“知道我們自己的行星在過去經(jīng)常移動，使太陽系比我們之前以為的更像我們的鄰居，我們不再是一個(gè)異類了。”
譯者注釋：
1. 關(guān)于太陽系的形成
星系形成始于冷分子云（基本上是氫分子的集合），它們溫度低密度大，通過重力會吸引氣體、顆粒等物質(zhì)過來。隨著越來越多的“原料”加入，這些物質(zhì)會產(chǎn)生凈旋轉(zhuǎn)、形成圓盤來吸積更多物質(zhì)。新來物質(zhì)的勢能變成里面氣體的動能，越來越多碰撞產(chǎn)生熱，當(dāng)中心溫度和密度升到足夠高的時(shí)候，恒星就形成了。絕大多數(shù)材料都被新誕生的恒星吃掉了，圓盤上的剩余物變成行星、小行星等。而離太陽的遠(yuǎn)近決定了什么物質(zhì)可以在對應(yīng)的溫度下凝結(jié)、從而成為構(gòu)成小天體的材料。
在離太陽近的位置，溫度相對較高，只有比較重的元素可以凝結(jié)；而隨著離太陽越來越遠(yuǎn)，溫度降到約300K以下，“冰（ices，可理解為氫化合物的固態(tài)形式）”也會參與到構(gòu)成行星的活動中來，同時(shí)低溫度也使這些行星可以用重力捕捉到氫、氦這種很輕的氣體（為什么請看2），所以在離太陽遠(yuǎn)的地方，有更多“行星原材料”。這就是為什么太陽系的前四顆都是密度大、體積小、質(zhì)量小的巖石行星，而后四顆氣態(tài)行星的體積和質(zhì)量都很大。
2.為什么地球上氫氣很少？
我們知道氫、氦是宇宙中最充足的正常物質(zhì)（按質(zhì)量分別占74%和24%），它們也是氣態(tài)行星的主要成分，那為什么地球上的氫如此少？地球離太陽較近，溫度高，氫分子運(yùn)動的速度很快，很輕易就可以逃離地球的引力。相反，像木星這樣的巨型氣態(tài)星球就可以輕松捕捉氫，因?yàn)樗诘奈恢脺囟鹊?，氫無法逃離木星的引力。
3.木星質(zhì)量在天文學(xué)中的意義
木星質(zhì)量（Jupiter mass，符號是MJ）是主要用于量度行星、褐矮星（質(zhì)量位于行星和恒星之間）質(zhì)量的單位，一個(gè)木星質(zhì)量（1MJ）是1.90×10^27 kg，不到千分之一太陽質(zhì)量（Solar mass，符號是M☉，常用于度量宇宙中其它東西的質(zhì)量，包括恒星、星系、黑洞等等）?！?5MJ (0.08M☉）是恒星質(zhì)量的下限，即低于這個(gè)質(zhì)量溫度則無法高到點(diǎn)燃核聚變，無法成為恒星。順帶提一下，～100M☉是恒星質(zhì)量的上限，高于這個(gè)質(zhì)量恒星將無法克服自身的重力，難免塌縮的命運(yùn)。
參見
[1]:https://www.nasa.gov/topics/solarsystem/features/young-jupiter.html
