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行星迁移

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行星迁移(英语:Planetary migration)是行星或者其他恒星旁的天体和恒星周围的盘内的气体或者微行星交互作用时发生的现象;该现象会改变行星等天体的轨道半长轴等轨道参数。现在广被接受的行星形成理论内容指出,原行星盘内行星不会在相当接近恒星的区域形成,因为太过靠近恒星的区域内的天体质量不足以形成行星,并且温度过高无法让主要含岩石或冰的微行星存在。恒星旁气体盘还存在时,质量与地球相当行星可能会向内快速靠近恒星;这也可能会影响巨大行星(质量高于10倍地球质量)的核心形成,如果它们的形成是经由核心吸积机制的话。行星迁移是太阳系外行星中巨大质量且公转周期极短的热木星形成最可能的解释。

行星盘形式

气体盘

根据观测结果,年轻恒星旁的气体原行星盘寿命约数百万年。如果行星的质量与地球相当,并且与气体盘共存,行星就可能会转移角动量到周围气体,并且使行星逐渐向内侧螺旋移动。

微行星盘

在行星系统形成的晚期阶段,巨大的原行星和微行星之间的混沌重力交互作用会使许多微行星被抛入新轨道。这样的过程会使行星和微行星之间发生角动量交换而产生轨道迁移(向内或向外)。海王星向外迁移被认为是冥王星和其他冥族小天体被海王星共振捕获,造成轨道周期3:2共振原因。

迁移形式

I 型迁移

气体或微行星盘内,质量与地球相当的行星会在周围区域产生螺旋状密度波,在螺旋密度波内侧和行星轨道外侧会因为密度差异发生不平衡现象。在大多数状态下,较外围的波会对行星施加比内侧波更大的力矩,这会使行星失去轨道角动量,并且使行星在行星盘存在的数百万年时间内向外迁移。

II 型迁移

超过10倍地球质量的行星会清除盘内特定区域小天体,形成缝隙,使 I 型迁移终止。然而,在较大的吸积盘中仍会有物质持续进入缝隙,让行星和其造成的缝隙在吸积盘存在期间向内移动。这是部分“热木星”形成假设。

重力散射

另一个让恒星轨道半径大幅度改变的可能机制是巨行星的重力散射。在太阳系中,天王星和海王星可能因为和木星或土星近距离接触而被重力散射改变轨道[1]。在太阳系早期形成阶段中,寡头成长的微行星体积远小于天王星和海王星,因此可能会被重力散射到柯伊伯带奥尔特云之间的遥远空间中。小行星90377可能就是第一个为人所知的“寡头行星”,而更小的天体可能会被散射更远而形成奥尔特云。

在太阳系中

本模拟显示了外行星和柯伊伯带的演化状况:a) 木星和土星轨道周期在1:2共振之前状况。b) 海王星(深蓝色)轨道移动柯伊伯带天体散射入内太阳系。c)木星将微行星大量弹射后状况[2]。
本模拟显示了外行星和柯伊伯带的演化状况:a) 木星和土星轨道周期在1:2共振之前状况。b) 海王星(深蓝色)轨道移动柯伊伯带天体散射入内太阳系。c)木星将微行星大量弹射后状况[2]

根据今日太阳系最外围区域天体分布情况,天文学家指出外行星的迁移是必然发生的[3]。太阳系在在海王星之外接续著柯伊伯带离散盘奥尔特云,而这三个冰小天体稀疏分布的区域被认为是大多数被观测到彗星的来源。在距离太阳如此遥远的区域吸积速度太过缓慢,无法在太阳星云消散前形成行星,并且这个距离的区域质量密度过低而不足以形成行星。柯伊伯带的范围是距离太阳30到55天文单位处,更远的离散盘距离太阳可超过100天文单位[3],最远的奥尔特云内侧界线大约是5万天文单位[4]

然而,柯伊伯带最初的密度比现在更高,并且更靠近太阳。原始柯伊伯带内有数百万以上的微行星,并且外缘是在相当于今日海王星轨道处的约30天文单位。

太阳系形成以后,所有巨行星因为和大量当时仍存在的微行星交互作用,使其轨道仍旧缓慢变化。在太阳系成形5到6亿年后(约40亿年前),木星土星的轨道共振是1:2,即木星环绕太阳一次,土星即环绕二次[3]。这样的共振产生了对更外侧行星的重力推力,使海王星和太阳的距离超过了天王星,并进入了高密度的微行星带。当巨行星向外移动时就会将微行星向太阳系内部散射。被散射的微行星碰到下一颗向外移动的巨行星也会被散射到太阳系内侧[5]。这些过程会持续进行直到这些微行星和木星交互作用为止,因为木星巨大的重力会使这些小天体进入高离心率的轨道,甚至被抛出太阳系,这也会使木星向太阳系内侧稍微移动。而这些散射的假设可以解释海王星外天体今日稀疏分布的原因。

太阳系中最外侧的两颗行星天王星和海王星一般相信是从原本接近木星和土星的形成位置向外移动,并到达今日的位置,而这样的过程持续超过1亿年[1]。最后,天王星和海王星与微行星盘内小天体的动力摩擦使两者轨道再次接近圆形[3][6]

相较于外行星,一般认为内行星在太阳系形成至今并未有明显的迁移。并且内行星的轨道在大规模撞击时期之后保持稳定至今[7]

参见

注释

  1. ^ 1.0 1.1 E. W. Thommes, M. J. Duncan, H. F. Levison. The Formation of Uranus and Neptune among Jupiter and Saturn. Astronomical Journal. 2002, 123 (5): 2862. Bibcode:2002AJ....123.2862T. arXiv:astro-ph/0111290. doi:10.1086/339975. 
  2. ^ R. Gomes, H. F. Levison, K. Tsiganis, A. Morbidelli. Origin of the cataclysmic Late Heavy Bombardment period of the terrestrial planets (PDF). Nature. 2005, 435 (7041): 466–9. Bibcode:2005Natur.435..466G. PMID 15917802. doi:10.1038/nature03676. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 Harold F. Levison, Alessandro Morbidelli, Christa Van Laerhoven; 等. Origin of the Structure of the Kuiper Belt during a Dynamical Instability in the Orbits of Uranus and Neptune. Icarus. 2007, 196 (1): 258. Bibcode:2008Icar..196..258L. arXiv:0712.0553. doi:10.1016/j.icarus.2007.11.035. 
  4. ^ Alessandro Morbidelli. Origin and dynamical evolution of comets and their reservoirs. 2005. arXiv:astro-ph/0512256 [astro-ph]. 
  5. ^ G. Jeffrey Taylor. Uranus, Neptune, and the Mountains of the Moon. Planetary Science Research Discoveries. Hawaii Institute of Geophysics & Planetology. 21 August 2001 [2008-02-01]. 
  6. ^ M. J. Fogg, R. P. Nelson. On the formation of terrestrial planets in hot-Jupiter systems. Astronomy & Astrophysics. 2007, 461 (3): 1195. Bibcode:2007A&A...461.1195F. arXiv:astro-ph/0610314. doi:10.1051/0004-6361:20066171. 
  7. ^ Douglas N. C. Lin. The Genesis of Planets (fee required). Scientific American. May 2008, 298 (5): 50–59. PMID 18444325. doi:10.1038/scientificamerican0508-50. 

参考资料

  • Goldreich, P., and Tremaine, S. 1979, Astrophysical Journal, 233, 857
  • Lin, D. N. C., and Papaloizou, J. 1979, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 186, 799
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