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在希臘羅馬神話中，木星是眾神之王，一位摧毀了更古老泰坦種族的神祇，成為了嫉妒且復仇的天地之主。
儘管這可能看起來很奇怪，但科學理論為這種歷史虛構提供了佐證。 作為圍繞太陽執行的最大、最重的物體，以木星命名的世界是行星之主，是太陽系中的主導力量。 很久以前，當木星將行星形成後剩餘的碎片丟擲太陽系時，可能也向我們原始的地球拋下了一些碎片，帶來了現在充滿我們海洋的一些水。 木星仍然引導著成群的小行星，偶爾會將一些小行星無害地送入星際空間，或使其與地球和其他行星發生破壞性碰撞。 木星甚至可能在約 6600 萬年前小行星導致恐龍滅絕的事件中發揮了作用，這一事件開啟了我們哺乳動物祖先的統治。 沒有木星，人類可能不會存在。
然而，一項新的研究表明，如果沒有木星，地球本身可能也不存在。 在地球和其他岩石行星現在執行的軌道上，可能最初存在著更大、被氣體籠罩、完全不適宜居住的星球的前代世界。 但木星橫掃而來，透過摧毀那些較老的行星，為像地球這樣的小世界掃清了道路。 這項研究由加州理工學院行星科學家康斯坦丁·巴特金和加州大學聖克魯茲分校天體物理學家格雷格·勞夫林共同撰寫，發表在 3 月 23 日的《美國國家科學院院刊》上。
太陽系中的一個空洞
有數百個理由懷疑我們的太陽系過去曾擁有更多更大的內部行星——例如美國宇航局開普勒任務等行星探測專案發現了數百個多行星系統。 儘管我們的太陽系在水星以內基本上是空的，但大多數其他恆星周圍的等效區域似乎都擠滿了近距離、中等質量的行星——那些介於地球和海王星大小之間的行星。 充滿希望的天文學家將這些世界稱為“超級地球”，但它們中的大多數似乎更像是富含氫氣、被氣體籠罩的迷你海王星——確實非常不像地球。“既然我們可以在所有這些其他行星系統的背景下審視我們自己的太陽系，”勞夫林說，“我們星系中標準配置的行星系統似乎是一組軌道週期短得驚人的超級地球。 我們的太陽系看起來越來越像一個怪胎。”
如果是這樣，那麼顯而易見的問題是它是如何變成這樣的。 根據巴特金的說法，沒有理由懷疑行星形成的實際過程在我們太陽周圍與其他恆星周圍發生的情況非常不同。 相反，我們太陽系作為異常值的原因可能在於其後續演化的細節——在很大程度上受木星控制。
遷移的世界
天文學家過去認為行星系統是相當靜態和穩定的。 行星會從年輕恆星周圍旋轉的氣體和塵埃盤中凝聚而成，有點像樹木從泥土中冒出來，紮根並在出生地幾乎不動。 小型岩石行星會在靠近恆星的強烈光和熱中形成，而氣態巨行星則會在更遠的地方形成，那裡的低溫可以儲存更多的氣體原料。 不管大小，是氣體還是岩石，大多數行星都會在原始的、近乎圓形的軌道上繞恆星執行。 所有這些都與我們對自身太陽系的理解相吻合。 但我們可能對什麼是常態存在巨大的誤解。
二十年前，當天文學家發現第一批繞其他恆星執行的行星時，他們也開始意識到行星系統是混亂的地方。 一些行星並非在近圓形軌道上執行，而是在橢圓形的“偏心”路徑上執行，這使得它們時而靠近恆星，時而遠離恆星——幾乎就像它們受到了其他世界引力影響而偏離了軌道一樣。 而且大多數新發現的巨行星與木星非常不同——它們在灼熱的、靠近恆星的軌道上，遠遠地位於它們本應形成的寒冷外部區域的內側。 行星也可能會遷移，這可能是受到與它們形成盤的溫和相互作用或與它們的行星兄弟姐妹的近距離接觸的推動。
自從那些發現以來，研究人員一直在努力理解行星遷移的想法，以便更好地瞭解不僅是其他行星系統的特徵，還有我們自己的行星系統的特徵。 其中一個例子是“大頭釘”情景，該情景假設在我們太陽系存在的最初幾百萬年裡，木星遷移到內太陽系，然後再從內太陽系遷移出來，其路線類似於帆船繞浮標搶風行駛的路線。 那時，木星仍然會嵌入富含氣體的圓盤中。 大部分氣體都螺旋向下朝著太陽運動——以至於這種作用也會消耗掉木星的一些角動量，導致這顆巨行星本身螺旋進入今天火星所在位置的附近。 如果不是因為隨後形成的土星也開始漂移進來並抓住了木星，木星就會一直墜落到太陽中。 隨著兩顆巨行星越來越近，它們被 軌道共振捕獲。 這種共振排出了它們之間所有的氣體，逐漸逆轉了它們的死亡螺旋，並導致它們“搶風”回到外太陽系。
儘管這看起來很古怪，但大頭釘假說背後的物理機制是合理的，並且有充分的理由懷疑它發生了。 該情景巧妙地解釋了火星異常小的尺寸，理論家認為火星的尺寸應該更大，因為很久以前其軌道上應該存在大量行星形成物質。 在大頭釘過程中，木星會噴射出大部分物質，只留下足夠的物質供火星形成。 該假說還有助於解釋小行星帶中冰體和岩石體的分佈以及太陽系的其他各種特徵。
大襲擊
在他們的研究中，巴特金和勞夫林調查了木星的大頭釘是否也能解釋我們太陽系中心巨大的空洞。 這兩人使用數值模擬，研究了大頭釘會對假設的正在形成中的超級地球胚胎種群產生什麼影響。 模擬表明，木星的向內螺旋會使成群的 100 公里寬的行星構建塊傾瀉到內太陽系中。 這顆巨行星的引力還會將這些構建塊和內部行星本身拋入重疊的橢圓軌道，從而在旋轉、碰撞、破碎的世界中製造一場行星際拆除競賽。“這與我們擔心衛星在近地軌道被摧毀的情況相同，”勞夫林說。“它們的碎片會開始撞擊其他衛星，你將面臨連鎖碰撞的風險。 我們的工作表明，木星會在內太陽系中造成如此大規模的碰撞級聯。”
儘管這些碰撞會非常劇烈，但它們本身並不能完全摧毀正在聚結的超級地球。 相反，碰撞產生的碎片雪崩會在周圍的太陽系盤中產生強大的空氣動力逆風，形成螺旋狀的氣體漩渦，然後將第一代內部岩石行星掃入太陽。“這是一個非常有效的物理過程，”巴特金說。“你只需要相當於幾個地球質量的物質就可以將相當於數十個地球質量的行星驅動到太陽中。”
除了對其他行星系統的觀測表明我們的太陽系是異常值之外，幾乎沒有證據表明我們的太陽形成並失去了早期一代的內部世界。 但勞夫林發現這個想法的技術實力和巧妙之處令人信服。“這種理論，先發生這個，然後發生那個，幾乎總是錯誤的，所以我最初持懷疑態度，”他說。“但它實際上涉及其他研究人員廣泛研究的通用過程……。 木星的‘大頭釘’很可能對原始的內太陽系進行了一次‘大襲擊’。”
一個更孤獨的星球
在木星的大襲擊之後，只會剩下少量的揮發性氣體和破碎岩石的殘渣，但巴特金指出，木星可能注入內太陽系的總物質中只有大約 10% 是形成水星、金星、地球和火星所需要的。 隨著木星逆轉方向並螺旋返回外太陽系，它的透過可能使一小部分殘渣沉澱到更圓形的軌道上。 在一億到兩億年的時間跨度內，那些貧乏的、揮發性物質耗盡的殘渣然後會聚集在一起，形成我們今天所知的相對較小且乾旱的內部行星。 所有這些都與其他大量證據相吻合，這些證據表明內部岩石行星的形成明顯晚於外部巨行星，並解釋了為什麼太陽的內部世界比在其他恆星周圍觀察到的內部世界更小且大氣層更薄。
出現的圖景是，我們可能比之前認為的更加宇宙孤獨。“我們理論的預測之一是，真正類地行星，具有固體表面和適度的大氣壓，是罕見的，”勞夫林說。
如果這是真的，巴特金和勞夫林的研究將意味著，我們現在在如此多的其他恆星周圍觀察到的大多數近距離、潛在的岩石和宜居行星可能根本不是岩石或宜居的。 相反，拜訪它們你會因為它們厚厚的富氫大氣層而被壓碎、煮熟和窒息。 該研究還表明，遙遠的木星在其他恆星周圍非常罕見； 大多數巨行星不會只是短暫地訪問內部系統，而是會遷移到那裡停留，這可能會阻止類地世界的形成。
從這個角度來看，我們真正應該感謝土星讓我們存在於此，因為這顆環狀行星的存在可能阻止了木星更靠近太陽。 帶著詩意的許可，這讓我們回到了神話——在神話中，土星是木星的父親，也是負責地球財富、快樂和富足的神。 下次你仰望天空，在晴朗、無氫的天空下沒有被壓碎和煮熟時，不要感謝你的幸運星——感謝木星和土星。