當(dāng)前位置： 當(dāng)前位置：首頁 > 時(shí)尚 > 如果太陽系獲得了一個(gè)超級(jí)地球會(huì)怎么樣？正文

研究中的這張圖顯示了凱恩是如何進(jìn)行模擬的。外面的陽系樣黑色圓圈是木星的軌道，紅色圓圈覆蓋了他放置超級(jí)地球的果太個(gè)超范圍。Credit: Kane,陽系樣 2023
（神秘的地球uux.cn）據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)（by Evan Gough, Universe Today）：在這個(gè)發(fā)現(xiàn)系外行星的時(shí)代，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過5000顆已確認(rèn)的果太個(gè)超系外行星，還有數(shù)千顆等待確認(rèn)，陽系樣還有數(shù)十億顆等待發(fā)現(xiàn)。果太個(gè)超這些系外行星存在于令人困惑的陽系樣大小、成分、果太個(gè)超軌道周期以及幾乎所有其他可以測(cè)量的陽系樣特征中。
對(duì)它們的果太個(gè)超了解也揭示了我們的太陽系。我們過去認(rèn)為這是陽系樣行星的原型排列，因?yàn)檫@是果太個(gè)超我們必須繼續(xù)下去的全部。但是陽系樣現(xiàn)在我們知道我們可能是離群值，因?yàn)槲覀儧]有超級(jí)地球。果太個(gè)超
超級(jí)地球是一類常見于其他恒星周圍的行星。它們僅由質(zhì)量來定義，在2到10個(gè)地球質(zhì)量之間。盡管行星搜尋者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過1500顆，但我們的太陽系一顆也沒有。由于我們的太陽系缺少這些典型類型中的一種，行星科學(xué)家很難理解其他系統(tǒng)中的超級(jí)地球。
我們太陽系的結(jié)構(gòu)與天文學(xué)家在其他恒星周圍看到的也有很大不同。像開普勒-11這樣的系統(tǒng)在緊湊的系統(tǒng)中有多個(gè)行星，它們?cè)陂L(zhǎng)期穩(wěn)定的軌道上離恒星更近。如此密集的行星之間的相互作用應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致軌道不穩(wěn)定，但開普勒-11的行星有可能穩(wěn)定數(shù)十億年。該系統(tǒng)中最小的行星開普勒-11 f的質(zhì)量仍然是地球的2.5倍。
其他像HD 20782這樣的系統(tǒng)有著極端軌道偏心率的行星。HD 20782 b擁有已知最偏心的軌道之一。它的偏心率是0.97，非常高，因?yàn)槠穆?.00是逃逸軌道。(作為對(duì)比，地球的偏心率是0.016，其中0是圓形軌道。)因此，HD 20782 b在其585天的軌道上從內(nèi)太陽系旅行到外系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)歷了劇烈的溫度波動(dòng)。
一位經(jīng)驗(yàn)豐富的行星研究者想知道如果我們的太陽系真的有一個(gè)超級(jí)地球會(huì)發(fā)生什么。它會(huì)如何改變我們的太陽系？超級(jí)地球會(huì)讓我們的太陽系與我們?cè)阢y河系中看到的其他系統(tǒng)更加一致嗎？我們的太陽系會(huì)被認(rèn)出來嗎？
為了找到答案，他在模擬太陽系的過程中創(chuàng)造了一個(gè)模擬的超級(jí)地球。
他叫斯蒂芬·凱恩，是加州大學(xué)的行星天體物理學(xué)教授。論文是“太陽系超級(jí)地球的動(dòng)力學(xué)后果”，凱恩是唯一的作者。這篇論文還沒有經(jīng)過同行評(píng)議。
在他的論文中，凱恩指出了我們太陽系的行星大小/質(zhì)量差距以及這對(duì)研究人員的意義。沒有一個(gè)介于地球和海王星質(zhì)量之間的超級(jí)地球，很難將我們的系統(tǒng)放入背景中。很難模擬這些行星是如何形成的，它們的成分可能是什么。
我們的系統(tǒng)沒有超級(jí)地球可能有多種原因。木星和土星的早期遷移可能起到了一定的作用，吞噬了原本可能聚集在地球或火星上的質(zhì)量，將它們變成了超級(jí)地球。
沒有我們自己的超級(jí)地球來研究，研究人員留下了許多問題。“即便如此，”凱恩寫道，“調(diào)查太陽系內(nèi)額外行星質(zhì)量的動(dòng)力學(xué)后果是有用的，以便約束當(dāng)前的形成理論，并研究對(duì)一般行星系統(tǒng)架構(gòu)的影響。”
詳細(xì)的計(jì)算機(jī)模型和模擬是天文學(xué)的重要組成部分，隨著時(shí)間的推移，它們變得更加詳細(xì)和強(qiáng)大。研究人員改變輸入來觀察像太陽系和行星這樣的東西在不同條件下是如何形成和表現(xiàn)的。在這項(xiàng)工作中，凱恩將一個(gè)超級(jí)地球放在我們的太陽系中，看看會(huì)發(fā)生什么。
凱恩寫道:“在這篇論文中，我們提供了一項(xiàng)動(dòng)力學(xué)研究的結(jié)果，該研究將一顆額外的類地行星放置在當(dāng)前太陽系架構(gòu)內(nèi)的質(zhì)量范圍1至10個(gè)地球質(zhì)量和半長(zhǎng)軸范圍2-4 AU內(nèi)。”
凱恩補(bǔ)充說，行星的質(zhì)量在1到10個(gè)地球質(zhì)量之間，以1個(gè)地球質(zhì)量為步長(zhǎng)。他將行星放在圓形軌道的不同起始位置。軌道與地球共面，半長(zhǎng)軸范圍為2到4個(gè)天文單位(AU ),步長(zhǎng)為0.01 AU。
“這導(dǎo)致了幾千次模擬，每次模擬允許運(yùn)行107年，從當(dāng)前紀(jì)元開始，每100個(gè)模擬年輸出一個(gè)軌道配置，”凱恩解釋說。
模擬顯示內(nèi)行星比外行星更容易受到超級(jí)地球的不穩(wěn)定性的影響。“2-4au的廣闊區(qū)域包含許多與內(nèi)行星的MMR(平均運(yùn)動(dòng)共振)位置，這進(jìn)一步放大了內(nèi)太陽系的混沌演化，”論文指出。
“混沌進(jìn)化”是輕描淡寫。超級(jí)地球的加入改變了行星之間的關(guān)系，也改變了整個(gè)內(nèi)太陽系的結(jié)構(gòu)。“在這個(gè)例子中，所有四顆內(nèi)行星的軌道都變得非常不穩(wěn)定，以至于在107年的模擬結(jié)束之前，它們就被從系統(tǒng)中刪除了。”
可憐的火星在被噴射之前只進(jìn)行了一半的模擬。在與金星和地球相互作用之前，水星只完成了模擬的三分之一，它們?cè)絹碓酱蟮钠穆式o水星的軌道帶來了角動(dòng)量，將其趕走。
在另一輪模擬中，凱恩在3.7天文單位的距離放置了一個(gè)有八個(gè)地球質(zhì)量的超級(jí)地球。這導(dǎo)致地球和金星的偏心率開始略有增加，然后，加上木星的影響，擾亂了水星的軌道，以至于它再次被迅速驅(qū)逐。水星災(zāi)難性的移動(dòng)通過向軌道注入角動(dòng)量改變了地球和金星。凱恩寫道:“這導(dǎo)致了它們軌道的實(shí)質(zhì)性周期性演變，它們的偏心率有高低頻變化。”
在這種情況下，火星的軌道相對(duì)不受影響，盡管由于與外行星的相互作用，它的偏心率“經(jīng)歷了高”頻率的振蕩。"
外太陽系也發(fā)生了變化，盡管沒有那么嚴(yán)重。當(dāng)模擬將一顆有7個(gè)地球質(zhì)量的行星放置在3.79天文單位時(shí)，起初沒有發(fā)生太多事情。但最終，會(huì)有戲劇性的變化。超級(jí)地球的軌道改變，它的半長(zhǎng)軸遠(yuǎn)達(dá)30天文單位。大約400萬年后，超級(jí)地球被逐出系統(tǒng)。凱恩解釋說，它的噴射轉(zhuǎn)移了角動(dòng)量，這“對(duì)土星、天王星和海王星的偏心率產(chǎn)生了重大影響”。
在另一個(gè)模擬中，注入的超級(jí)地球也有7個(gè)地球質(zhì)量，AU變化很小，從3.79到3.8。超級(jí)地球再次被拋出，木星和土星的偏心率增加。這個(gè)微小的變化也引發(fā)了天王星的消失。
凱恩進(jìn)行了幾千次模擬，根據(jù)參數(shù)，一些內(nèi)行星被噴射出去，就像植入的超級(jí)地球一樣。在其他建筑中，冰冷的巨人也被逐出。但是彈射只是一種結(jié)果，盡管是最極端的結(jié)果。
模擬顯示超級(jí)地球的存在會(huì)使其他行星的軌道更加偏心。這可能會(huì)對(duì)行星的氣候造成嚴(yán)重破壞，因?yàn)闇囟葧?huì)根據(jù)行星在其偏心軌道上的位置而大幅波動(dòng)。“這些相互作用導(dǎo)致金星和地球軌道偏心率的大幅振蕩，創(chuàng)造了米蘭科維奇周期，可能會(huì)影響這些行星的長(zhǎng)期氣候，”凱恩總結(jié)道。
那里有許多超級(jí)地球，它們的存在對(duì)其他系統(tǒng)的可居住性有多強(qiáng)的影響是一個(gè)懸而未決的問題。如果這項(xiàng)研究有什么啟示的話，這是一個(gè)需要研究的問題。“行星氣候?qū)Τ?jí)地球軌道相互作用的依賴將需要進(jìn)一步的大氣數(shù)據(jù)和建模，以確定這種行星的存在(或缺乏)是否會(huì)優(yōu)先導(dǎo)致偏心率驅(qū)動(dòng)的氣候效應(yīng)，”作者解釋道。
在之前的幾十年里，天文學(xué)家利用我們太陽系的結(jié)構(gòu)來開發(fā)太陽系形成和結(jié)構(gòu)的模型。但是現(xiàn)在我們知道，我們的太陽系并不能代表外面的世界，尤其是當(dāng)它涉及到超級(jí)地球的時(shí)候。這種差異可能源于大行星的遷移方式。“特別是，這些巨大的行星遷移事件可能影響了內(nèi)太陽系中類地行星的形成過程，并縮短了迄今為止發(fā)現(xiàn)的最常見的行星類型:超級(jí)地球的形成，”論文指出。
大釘假說顯示了木星如何在3.5天文單位形成，向內(nèi)遷移到1.5天文單位，然后再向外遷移到5.2天文單位。行星之王像那樣在太陽系中移動(dòng)會(huì)影響周圍的一切。它可能會(huì)在內(nèi)太陽系的物體之間產(chǎn)生碰撞級(jí)聯(lián)，將物質(zhì)推向太陽，這可能會(huì)形成一個(gè)超級(jí)地球。一些研究人員認(rèn)為，我們的系統(tǒng)在遙遠(yuǎn)的過去確實(shí)有一個(gè)超級(jí)地球，它在太陽下消亡了。
凱恩稱我們?nèi)鄙俪?jí)地球是一把雙刃劍。一方面，我們沒有機(jī)會(huì)像研究類地行星、氣體巨星或冰巨星那樣近距離地研究超級(jí)地球。但是超級(jí)地球的存在可能會(huì)徹底改變太陽系，對(duì)生命來說可能是災(zāi)難性的。
“我們的結(jié)果揭示了我們現(xiàn)有行星結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)脆弱性，允許在行星系統(tǒng)架構(gòu)的更廣泛背景下對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行更詳細(xì)的檢查，”凱恩寫道。這項(xiàng)工作的主要目的是將我們自己的“古怪”系統(tǒng)與外面過多的含有超級(jí)地球的太陽系進(jìn)行比較。
“從個(gè)體和統(tǒng)計(jì)的角度來研究這些系統(tǒng)的軌道，將展示與超級(jí)地球行星共享動(dòng)態(tài)空間的真實(shí)后果，”他總結(jié)道。
這項(xiàng)研究發(fā)表在arXiv預(yù)印本服務(wù)器上。