我們的太陽系就像一個存在了46億年的犯罪現場。
佈滿隕石坑的表面、錯位的行星軌道以及星際碎片的流，就像牆上的血跡飛濺和逃跑車輛的剎車痕跡，是宇宙中的對應物。這些和其他線索講述了我們行星家族混亂的開端。
在這些線索中，隱藏著一個失蹤兄弟姐妹的暗示：第九顆行星（不，不是冥王星），它在重力拔河中被踢走，重塑了早期的太陽系。
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如今，外太陽系由四個巨行星主導：木星、土星、天王星和海王星。在它們之外是柯伊伯帶，這是一片冰冷的碎片帶，冥王星也是它的居民之一。
巨行星早期的遷移記錄在柯伊伯帶中碎片聚集的方式中，柯伊伯帶是一個環繞海王星軌道執行的冰冷天體環（此處有圖示）。
“我們不應該陷入只看外太陽系就認為它一直如此的陷阱，”科羅拉多州博爾德市西南研究所的行星科學家大衛·內斯沃尼說，他在2011年首次提出了流浪行星的觀點。
內斯沃尼是一群試圖弄清楚太陽系在最初幾億年內如何演化的科學家之一。研究人員使用複雜的計算機模擬，構建了一個敘事，其中嬰兒行星形成時相對靠近，然後爭奪位置，交替地從一個軌道滑行和跳躍到另一個軌道。這些模擬解釋了行星、小行星和彗星今天如何繞太陽執行的許多細節。
但有一個問題。這個故事通常以天王星或海王星被踢出太陽系而告終，內斯沃尼在9月份的《天文學和天體物理學年度評論》中寫道。
由於天王星和海王星顯然仍然存在——畢竟，航天器已經訪問過這兩個世界——這個故事不太能站得住腳。但是，許多研究人員懷疑，第五顆巨行星可能是這個謎團所需的英雄，也是太陽系歷史中一個至關重要的缺失角色。
一個幽靈行星
為了重現這些古老的場景，天文學家依靠計算機模擬來以成千上萬種不同的方式生成數千個不同的太陽系。在程式碼行中，他們制定了物理定律以及他們可以想象的任何行星排列的起始陣容。研究人員設定好舞臺——在這裡扔下一顆行星，在那裡撒一些小行星——然後退後一步，讓模擬的自然執行。在現實世界的幾個星期之後——模擬中會發生數百萬年——天文學家會偷看一下內部，看看太陽系的結果如何。越接近真實情況越好。
這就是內斯沃尼在2009年所做的事情。他正在擺弄虛擬的太陽系，試圖找到一種方法來拯救虛擬的天王星和虛擬的海王星，使其免於前往虛擬深空的單程旅行。
問題在於木星。這顆巨行星是個惡霸，其引力可以延伸得很遠很廣，以推開較小的世界和各種碎片。在當時最成功的模擬中，木星和兩個最外層行星中的一個相互反彈，最終進入了現代軌道。但這隻發生在約百分之一的時間裡。在其他99%的情況下，木星用力地拋擲天王星或海王星，以至於它們離開了太陽系，一去不復返。
“這使得事情變得奇怪，因為我們知道天王星和海王星倖存了下來，”內斯沃尼說。所以他一直在修補。在嘗試了無數不同的場景一年後，他開始嘗試新增殉道世界：為了拯救其他行星而犧牲的額外行星。
“我執行這些模擬只是想看看會發生什麼，並沒有太當真，”內斯沃尼說。“但是後來我意識到其中可能有一些真實性。”他運行了大約 10,000 次模擬，每次都改變了額外行星的數量、它們的起始位置和質量。
最佳方案——最能重現與真實太陽系最相似的太陽系的方案——是一顆位於土星和天王星原始軌道之間的額外行星。這個世界大約和天王星和海王星一樣大，大約是地球的16倍。正是這顆行星可能與木星的軌道糾纏在一起，並被丟擲太陽系。
一張圖表顯示了每個巨行星到太陽的平均距離如何隨著時間變化。在計算機模擬中，軌道在最初的幾百萬年裡緩慢變化，然後土星（綠色）和一顆額外的行星（紫色）之間的一次近距離接觸導致軌道跳躍和搖擺。虛線標記了軌道目前的尺寸。
機率仍然不高。這種設定的重複模擬僅在約百分之五的時間內有效。“目前的太陽系既不是典型也不是預期的結果，”內斯沃尼在 2012 年發表的一篇探討這一想法的論文中寫道，該論文由他在法國蔚藍海岸天文臺的同事亞歷山德羅·莫比德利共同撰寫。但這比僅包括我們今天所瞭解和喜愛的四顆巨行星的模擬的百分之一的成功率有了顯著提高。
“實際上，呼叫第五顆[巨]行星的存在要比沒有它簡單得多，”法國波爾多大學的行星科學家肖恩·雷蒙德說。雖然證據在很大程度上是間接的，“但擁有一個額外的行星更有意義。”
這可能看起來有些牽強。天文學家怎麼能瞭解超過 40 億年前發生的事情，以及我們擁有的行星，更不用說那些甚至不存在的行星了呢？事實證明，行星在其青年時期留下了許多戰鬥傷疤，供行星偵探們試圖解讀。
星際血跡飛濺
“我們非常確定行星不是在它們今天所在的位置形成的，”俄克拉荷馬州諾曼市俄克拉荷馬大學的行星科學家內森·凱布說。
不過，這個認識是最近才出現的。在大部分歷史中，觀星者都認為行星一直遵循著它們現有的軌道。但在 1990 年代初期，研究人員意識到這個場景出了問題。
就在海王星軌道之外是柯伊伯帶，一片環繞太陽的冰冷碎片。“它們是牆上的血跡飛濺，”加州理工學院的行星科學家康斯坦丁·巴蒂金說。
柯伊伯帶天體的排列使得研究人員得出一個不可避免的結論：海王星一定是形成於比今天更靠近太陽的地方。柯伊伯帶中的許多天體以同心軌道聚集在一起，隱約類似於唱片中的凹槽。而且這些不僅僅是隨機軌道——它們直接與海王星的軌道相連。
以柯伊伯帶最著名的居民冥王星為例。它和它已知的數百個同伴每繞太陽兩週，海王星繞太陽三週。其他柯伊伯天體流每繞太陽一週，海王星就繞太陽兩週，或者每繞太陽四周，海王星就繞太陽七週。
柯伊伯帶不可能自己變成那樣。但是，如果海王星形成時離太陽更近，然後慢慢向外移動，它的引力就會像一張網，將附近的星際碎片捕獲到這些特殊的軌道上，並將其帶走。
此模擬顯示了外行星的緊湊配置（左）如何隨著時間的推移而演化。木星和土星同步它們的軌道（中間），這會導致所有行星的軌道發生變化。在此特定執行中，天王星和海王星交換位置。隨著時間的推移，（右）碎片散落，其中一些碎片沉降在柯伊伯帶中，而行星則向其現代軌道前進。
這與一些模擬在十年前暗示的結果相符。行星的形成是一件混亂的事情，使得碎片散落在太陽系各處。任何太靠近海王星的碎片都會被行星的引力引導。由於每個作用都有一個相等且相反的反作用，所以每當海王星推一下碎片時，行星就會被向相反的方向推動。隨著時間的推移，海王星會慢慢地從太陽爬開。
海王星的遷移也牽涉到其他巨行星。畢竟，木星、土星和天王星也在同一片碎片中穿行，並處理類似的引力相互作用。如果海王星移動了，那麼所有巨行星都必須移動。
而且這不可能是平穩的旅程。
所有這些碎片的不斷研磨應該將巨行星的軌道雕刻成完美對齊的圓形，就像陶工穩固的手將陶輪上的粘土磨平一樣。然而，軌道最終並沒有變成那樣。相反，巨行星在略微拉長且傾斜的軌道上執行。這就像有人撞到了輪子，使曾經圓形的罐子變形了一樣。
跳躍的木星
到 2005 年，研究人員發現了一個罪魁禍首。新的模擬表明，巨行星在某個時刻一定經歷過科學家所謂的“動力學不穩定性”。換句話說，大約一百萬年的時間裡，事情變得瘋狂起來。最有可能的來源似乎是土星和天王星或海王星（又名冰巨星）之間的一系列近距離接觸，這使得這兩個世界中的一個朝著木星移動。隨著迷途的世界接近，它的引力拉回了木星，使這顆巨行星減速並使其進入較低的軌道。但是木星也同樣用力地拉著逼近的行星。冰巨星的質量要輕得多，它的加速速度遠遠超過木星的減速速度，從而使其遠離了太陽。
這場爭吵就像太陽系遭受了一次引力衝擊。木星向內跳躍，而其他外行星則向外跳躍。這一踢本應將巨行星的軌道扭曲成它們現在的樣子。它還會將內太陽系——水星、金星、地球、火星和小行星帶——從木星和土星的長期引力干擾中拯救出來，這是早期模擬中出現的另一個問題。
這讓我們談到了天王星或海王星的移除。在模擬的這個階段，木星通常會將冰巨星踢出到銀河系中。
這就是內斯沃尼試圖在不破壞模擬的其他有效部分的情況下解決的難題。一個額外的冰巨星承受了木星欺凌的衝擊，同時讓敘事中的其他事件不受阻礙地展開。
“這完全是可能的，”巴蒂金說。“[如果]你問我們為什麼應該有兩個而不是三個冰巨星，答案是絕對沒有理由。” 事實上，他說，一些計算表明，最初可能形成了多達五個類似海王星的世界。
巴蒂金和他的同事們在研究這個問題時，與內斯沃尼是同時進行的，儘管他們的動機不同。“我想證明可能沒有額外的巨行星，”他說。
他認為，這顆假設的行星在離開太陽系的過程中，會擾亂柯伊伯帶中被稱為冷古典帶的部分。巴蒂金說，如果柯伊伯帶是一個甜甜圈，那麼冷古典帶就是巧克力餡——一組軌道幾乎平躺在柯伊伯帶內的天體。一顆經過的行星應該會攪亂這些軌道，巴蒂金和他的同事們是這樣認為的。
他們的計算機模擬顯示，情況並非如此。令他們驚訝的是，一顆被丟擲的行星不會破壞冷古典帶。這並不能證明這顆行星存在，只是證明無論它是否存在，太陽系都可以正常執行。這顆行星是否可能留下了更直接的痕跡？或者回到犯罪現場的比喻，是否有任何剎車痕跡？內斯沃尼認為可能存在。
線索的萌芽
柯伊伯帶的另一部分被稱為核，它是冰碎片的一條狹窄的流，其軌道目前與海王星不同步。它的起源有點神秘。2015年，內斯沃尼認為，海王星向外遷移的跳躍——由一顆被丟擲的行星引起——可能是造成這種情況的原因。
當海王星跋涉到其最終軌道並將碎片掃入與其自身同步的軌道時，在正確的時間“撞擊”可能會釋放一些碎片，使其成為像核一樣的獨立流。模擬顯示，使木星跳躍並丟擲額外行星的引力踢擊也會在正確的時間發生，從而打擊海王星。
“你最終會得到像核一樣的東西，”內斯沃尼說。“這是間接證據……但並非結論性的。”
事實是，我們可能永遠無法確切知道太陽系形成初期發生了什麼。“我們不能寫一本太陽系聖經，”巴蒂金說。“我們只能給出一個非常模糊的故事。”
如果太陽系真的踢出了自己的成員之一，那麼它並不孤單。近年來，天文學家在恆星之間發現了一些漂流的流浪行星，很可能是從它們的家園中丟擲來的。經過一些推斷，“這些觀測表明，星系中自由漂浮的木星大小的行星比恆星還多，”內斯沃尼說。
這可能是一種誇大其詞的說法——最近的估計將這個數字定為每四顆恆星中就有一顆流浪木星——但這仍然是數十億顆漂流的世界。而這些只是木星那麼大的行星。我們的流浪者可能更小，大約是海王星的大小，我們不知道有多少這樣的行星在星系中漫遊。但我們確實知道，宇宙傾向於青睞小型物體而不是大型物體。
“我敢打賭會有很多，”內斯沃尼說。此外，天文學家已經在銀河系中發現了數千個行星系統，其中許多系統都顯示出比我們自己的系統更劇烈的碰撞跡象。“令人驚訝的是，”他說，“太陽系是如何保持如此有組織的。”
這篇文章最初於2018年10月3日由Knowable Magazine釋出，Knowable Magazine是Annual Reviews的獨立新聞工作，經許可轉載。 註冊簡報。