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[宇宙] 现实版三体世界:太阳系曾发生轨道迁移

  美国时间8月22日(北京时间8月23日),中国科幻作家刘慈欣凭借作品《三体》获得举世瞩目的雨果奖,创造了中国科幻的一个记录。相信大刘的粉丝内心是无比激动的,就像小说中的三体人发现了远在4光年外的地球一样:那里的太阳每天从东方升起,从西方落下,一年有四季,规律而完美,是三体人毕生向往的永恒天堂。


  小说中三体世界的构想来源于天体力学的一个基本模型:三体问题。它研究的是三个质量、初始位置和初始速度都是任意的可视为质点的天体,在相互之间万有引力的作用下的运动规律问题。


  很多人认为行星自诞生之初就围绕着恒星做规律而稳定的公转运动,但事实并非如此,行星与恒星、行星与行星之间的引力作用远比我们看到的复杂多样。如果人类能够早几十亿年诞生于地球,那么可以说,我们当时就是身处乱纪元的三体人,而年少的太阳系则可被视为一个混乱而无法预测的“三体系统”。



  维尔德2号彗星


  太阳系中的维尔德2号彗星一直游弋在海王星外的轨道上,几十年前,这颗彗星的轨道发生了变化,来到了木星内侧,并在太阳的热力下开始解体。2004年1月,美国宇航局的一架探测器高速擦过这颗彗星,捕捉了数以千计的尘屑并将其带回地球。通过研究这些尘屑的成分,科学家发现,这颗一直在海王星外行动的彗星中,竟然含有零碎岩石和金属——它们只能在新生太阳附近的空间中、1700摄氏度以上的高温下才能形成。既然如此,是什么将这个本该距离太阳很近的彗星抛到太阳系外层的呢?看来太阳系曾把自己从里到外“翻了个个儿”。



  美国宇航局实验室里,一位科学家正在审视探测器的太空捕获装置,其中藏有飞过维尔德2号彗星时收集的尘屑。


  许多人认为太阳系是可靠而规规矩矩运作的,认为八大行星都遵循着雷打不动的轨道,从诞生之初就一丝不苟地运转。



  名为“太阳系仪”的旧式模型描绘着一成不变的太阳系运作,但现实中的天体运作具有更强的随机性。一位天文学家说,如果你今天让一支铅笔滚过桌面,说不定能使木星10亿年后在轨道上偏离半圈。拍摄:Sage Ross


  但事实并非如此,行星们除了共同受太阳引力的影响而围绕它公转,行星彼此也会相互作用,它们之间的引力拉扯远弱于太阳引力,但年深日久,也能影响临近行星的路线,于是我们看到的行星公转轨道都不是正圆。理论上,这种无止尽的引力拉扯能使微小的偏离逐渐增大,直到行星的轨道迁移、交叉或者变得一塌糊涂。


  也就是说:尽管地球并不像小说中同时遭受来自三颗恒星的引力作用的三体星,但地球也曾受到木星、土星、火星等等周围行星的巨大影响,只不过他们不是发光发热的恒星。


  许多科学家都认为太阳系不仅在“幼儿期”曾辗转反侧,在“青春期”也颇为躁动。首先是太阳系中的“怪胎”冥王星,它的公转轨道与八大行星不在一条平面上,与太阳的距离是地球的30到50倍,以椭圆形轨道转动。但最奇特的是它与海王星的轨道共振:后者绕日三周所用的时间刚好够冥王星公转两周,而且两者从不接近。



  冥王星


  1993年,科学家雷努•马尔霍特拉推测出这种同步轨道的形成过程。她认为,当太阳系年岁尚轻的时候,海王星与太阳的距离比现在近,如果有小天体接近海王星,就会被后者的强大引力甩开,或者变得离太阳更近,或者彻底飞出太阳系。由于作用力招致反作用力,海王星的轨道也会因此发生一点点改变。经年累月,海王星就逐渐远离太阳,最终捕获本已远离太阳的冥王星,形成现在的共振关系。


  后来天文望远镜对存在于海王星外的柯伊伯带进行观测,发现许多类冥天体,它们是与海王星有同样共振关系的冰封矮行星。马尔霍特拉解释说,发生这种情况的原因可能是海王星朝着柯伊伯带移动,其引力作用像推雪机一样把大批矮行星扫进新的轨道。“类冥天体一经发现,可以说是一锤定音”,她说,“行星迁移基本成为了教科书上的说法。”



  图中蓝色部分为柯伊伯带(Kuiper Belt),正中央的黄色星球表示太阳,其周围四个红色行星为太阳系的四大巨行星,分别是木星(Jupiter),土星(Saturn),天王星(Uranus)和海王星(Neptune),靠近太阳的灰色部分是特洛伊小行星,它们是一大群与木星共用轨道、围绕太阳公转的小行星。图片作者:WilyD at English Wikipedia


  简而言之,天文学家认为,我们太阳系的四颗巨行星——木星,土星,天王星和海王星——最初形成于比现在紧密得多的近圆形轨道,后三颗与太阳的距离都比现在近。早期,它们的周围充满冰质和岩质的碎片,随着几大行星将这些物质或吸收或甩出,这片布满碎片的星云圆盘中便被渐渐清出了空轨。



  44亿年前,新生的巨行星在紧密的圆形轨道中公转,以太阳为中性,由内而外依次为木星、土星、海王星和天王星。随着它们清除彗星、小行星等零碎天体,其各自的轨道也在缓慢发生变化。天王星外是一圈彗星带。


  此时,行星们彼此拉扯,整个系统极不稳定,各星体像是被引力的弹簧全部连接在一起,其中最强的一根弹簧连着两颗最大的行星——木星和土星,它们一动,整个系统就会发生震荡。随着行星与星子相互作用,木星的轨道移向内侧,土星、天王星和海王星则向外移,这一切都进展得十分缓慢,直至达到某个点,土星的公转周期刚好变成木星的两倍。


  二者位置的反复移动使其近圆形的轨道被拉扯成今日所见的椭圆形,轨道变化很快打破了精确共振。但共振终止前,土星已经移动到距离海王星和天王星很近的位置,使后两者加速,并猛烈向外甩出,最终来到了太阳系的外围区域。



  38亿年前,土星的公转周期拉长,刚好达到木星周期的2倍,在木星的引力加速下,土星靠向天王星和海王星,进而把它们推入了最外侧的彗星带。彗星被入侵的两大行星甩向四面八方,有一些朝着地球飞去。


  与此同时,巨行星的迁移也扰乱了木星和火星之间的岩质小行星带,飞散的小行星加入远道而来的彗星行列,制造了发生在地球上38亿年到40亿年前的“晚期重度轰炸”,来历不明的小行星和彗星纷落如雨,把大部分地面砸得面目全非,使地壳绽开了深深的裂纹。当时若有生命存在于地球上,也只能在地下深处才能存活。



  天王星和海王星把自己新轨道上的大部分彗星扫清(而且两者还互换了位置)之后,“晚期中毒轰炸”停止,四颗巨行星在它们现有的略成椭圆形的轨道中安定下来。


  这场行星迁移给地球带来的突如其来的灾难,像不像三体世界里无法预测的乱纪元呢?



  经受晚期重度轰炸中的地球


  晚期重度轰炸后的一系列轰击在漫长的岁月中不短搅扰地上的生命。约6500万年前,一颗小行星撞击尤卡坦半岛,令恐龙灭绝——处于乱纪元的地球生命没能像三体人那样度过这场灾难。


  这么说来,太阳系过去的确经受了一番巨大的震动,八大行星才逐渐稳定成现在的看似规律的轨道。那么我们的未来会怎样呢?将来的某时某刻,行星的公转轨道是否会发生迁移?如果木星或土星突然冲进地球的公转轨道,然后像当年把海王星甩出去那样,把地球也甩到太阳系外围怎么办?若真如此,我们就像三体人在夜空中看到三颗飞星那样,真的进入了无边无际的严寒之中。


  加州大学圣克鲁斯分校的格雷格•劳克林说,太阳系这个系统的随机性很大,不过科学家比较肯定一点是,太阳系的四颗巨行星已经完成了轨道迁移,并且会在今后50亿年内老老实实呆在现有的轨道上。接下来,若如我们所料,太阳会膨胀,并吞噬内行星。但比较不确定的是,到那时候,水星、金星、地球和火星这几颗内行星是否还呆在原来的轨道上让太阳吞噬。


  劳克林说,内行星轨道变动在未来50亿年有1%的可能,问题主要出在木星和水星之间古怪的远程联系上。当木星在趋向近日点的途中刚好以正确方式与水星的扁轨道对准的时候,就会对后者产生微弱却稳定的牵引。在数亿年的时间里,这种牵引让水星有1%的可能超过金星的轨道,若真如此,它又会有1/500的机会给金星或火星带来足够的牵引,使之最终撞上地球或与地球擦肩而过。届时,地球会像太妃糖一样被抻开。



  太阳系中的四颗内行星将来有可能被太阳吞噬,或者彼此相撞 图片作者:WP


  太阳系系统有这样混乱复杂的过去和毫无定数的未来并不足为奇,许多太阳系外的恒星-行星系统都非常特殊,与太阳系大不相同。根据天文学家的观测,现在被检测到的太阳系外行星已达数百颗,它们有的挤在紧密的轨道中,间距比我们太阳系中的行星短的多,有的与木星或海王星差不多大小,却在靠近其恒星的奇热轨道上高速旋转,还有的拖着古怪的轨迹在深远的太空中绕圈。总的来说,太阳系外行星的轨道比我们这里的行星更不规则,有的行星甚至在星系外的空间里自在悠游。


  大刘也许就是在恒星与行星相互作用而形成的无数种可能里,借住天体力学的基本力学模型三体问题,构建了最不可思议也最富有魅力的三体世界。


  如果人类早诞生几十亿年,能否像三体人那样,适应地球在形成之初的恶劣环境?除了小行星和彗星造成的“晚期重度轰炸”,地球的公转轨道也会变化,当一年不再是恒定不变的365天,当某个夜晚发现夜空中有两个月亮——其中一个也许是向太阳靠近了一步的土星,当未来某一天人们醒来发现太阳已经变成黑蓝色天空中一个昏黄的小点——我们被横空出现的土星或木星甩了到了太阳系外围……难以想象,那时的地球文明会是何种形态。


  太阳系中的四颗巨行星和四颗内行星,再加上太阳自己,经历了漫长的磨合,才最终形成了现在平稳、有秩序而较为稳定的系统,地球在一系列碰撞后存活下来并成为这个稳定系统的一员,这个概率放在太阳系几十亿年的历史中是很小的。而地球上诞生了生命,并孕育出人类文明的辉煌,更是建立在这微乎其微的概率之上。当意识到生命诞生、文明繁衍的巨大偶然性时,你可否有一种如梦初醒的感觉?比起宇宙的宏大与浩瀚,我们几万年的历史只不过是沧海一粟,不值一提。


  大刘说,写科幻小说的目的,就是希望读者能够在紧张繁忙的生活里,偶尔也能抬头仰望星空。毫无疑问,他成功做到了这一点。


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