早高峰的匝道口,两条车道并成一条,后面的车一点点往前挪,整股车流的位置就变了。没有谁下命令,是相互作用自己把整体推走的。行星在气体盘里经历的也是类似的事:与盘内物质交换角动量,被一点点推离原来的轨道。所谓「行星迁移」,说的就是这种整体位移。
行星不会固定在水星形成的位置。盘内迁移可以把巨行星推到 0.05 au 以内,形成热木星;2005 年提出的尼斯模型则用巨行星与外围星子盘的共振解释外太阳系的现状——土星越过木星的 2:1 周期比时系统失稳,天王星与海王星被推到约 20–30 au。模型能解释布局,但初始条件仍需微调。
盘里的行星会被自己激起的波推走
行星在气体盘中运行,会在盘上激起螺旋状的密度波。波把角动量带走,反作用力施加在行星上,使它向内或向外移动。
低质量行星不开缝,靠这种方式缓慢漂移,称为 I 型迁移;质量大到能在盘中清出一道缝的,与盘的耦合方式不同,称为 II 型迁移。方向取决于盘的温度与密度结构,不总是向内。
尼斯模型解决的是外太阳系的布局
2005 年的一组数值模拟给出了一个图像:四颗巨行星原本排得更紧、更靠内,与外围的星子盘发生共振。
随着木星与土星交换角动量,土星逐渐向外,越过与木星的 2:1 周期比时,偏心率被激发,整个系统失稳。天王星与海王星被推到更远处,星子盘被大量抛射,一部分落向内太阳系。
热木星的轨道太近了,只能靠迁移解释
一大批系外行星的轨道半径小于 0.1 au,公转周期只有几天。那里温度高到岩石会熔化,不可能在本地形成一颗巨行星。
两条路可以走到那里:盘内迁移,过程温和,最终轨道接近圆形;或者高偏心率迁移,先被伴星或另一颗行星推到极扁的轨道,再由潮汐作用把轨道圆化。观测到的热木星偏心率分布,两种都有。
迁移的证据是间接的,模型之间还有分歧
支持迁移的证据不少:柯伊伯带的共振结构、特洛伊小行星群、月球撞击记录,以及大量紧凑排列的系外行星系统。
分歧也同样明显。尼斯模型对初始条件相当敏感,稍微改动行星的初始间距,结果就会跑偏。此外,「大迁徙」假说(木星先内迁到约 1.5 au 再外迁)能否成立,以及晚期重轰击是否真实发生过,都还在争论。
| 参数 | 数值 | 口径与来源 |
|---|---|---|
| 尼斯模型提出年份 | 2005 年 | 两组同期发表于 Nature |
| 失稳触发条件 | 土星/木星周期比 2:1 | 数值模拟 |
| 海王星现今半长轴 | 约 30 au | 观测 |
| 热木星典型半长轴 | 小于 0.1 au | 凌星与视向速度样本 |
| 盘内迁移时间尺度 | 约 10⁵ 年量级 | 盘-行星相互作用模型 |
| 大迁徙假设的木星近日点 | 约 1.5 au | 模拟给出的参数 |
哪些是观测,哪些还是推断
常见问题
岩石行星受影响较小,但巨行星迁移会改变它们的碰撞环境。地球今天的轨道,是迁移与散射共同作用的结果。
2005 年由 Tsiganis、Gomes、Morbidelli 与 Levison 提出的一组数值模拟,用巨行星与星子盘的共振解释外太阳系为何是今天这个样子。
短期内不会。巨行星已进入相对稳定的共振链,未来几十亿年轨道不会有量级上的变化,但混沌系统无法做更长久的预报。
延伸阅读
- Tsiganis, Gomes, Morbidelli & Levison 2005, Nature 435, 459
- Gomes et al. 2005, Nature 435, 466
- Walsh et al. 2011, Nature 475, 206