我們太陽系誕生的故事經過多年的複述已經變得平淡無奇。它始於數十億年前，一片黑色、緩慢旋轉的氣體和塵埃雲。雲層坍塌，在其中心形成了我們的太陽。隨著時間的推移，八大行星，以及冥王星等較小的天體，從圍繞我們恆星旋轉的剩餘氣體和碎片中出現。這個由太陽和行星組成的系統從此一直在太空中旋轉，它的運動就像鐘錶一樣精確和可預測。
近年來，天文學家已經瞥見了微妙的線索，這些線索掩蓋了這個熟悉的故事。與數千個新發現的系外行星系統的結構相比，我們太陽系最突出的特徵——其內部的岩石世界、外部的氣態巨行星以及缺乏水星內部的行星——實際上是非常異常的。在計算機模擬中回溯時間，我們瞭解到這些怪癖是一個動盪的童年的產物。太陽系歷史的新興改寫包括比大多數人預期的更多的戲劇性和混亂。
新的歷史是一個關於遊蕩行星被逐出其出生地，迷失的世界在太陽中被燒成灰燼，以及孤獨的巨行星被拋入近星際空間的寒冷深淵的故事。透過研究這些古老的事件以及它們可能留下的疤痕——例如最近假設的可能潛伏在冥王星之外的第九行星——天文學家正在獲得太陽系關鍵形成時期的連貫圖景，並對其宇宙背景有了新的認識。
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經典的太陽系
行星是恆星形成的副產品，恆星形成發生在質量是我們太陽10,000倍的巨型分子云的核心。雲層內緻密的核心區域會自身坍塌，形成一箇中央發光的原恆星，周圍環繞著一個廣闊、不透明的氣體和塵埃環，稱為原行星盤。
幾十年來，理論家們一直在研究我們太陽的原始原行星盤，以解釋太陽系最獨特的特徵之一：其岩石和氣體行星的兩類後代。四顆類地行星被限制在水星的88天和火星的687天軌道週期之間。相比之下，已知的富含氣體的巨行星位於更遙遠的軌道上，軌道週期從12年到165年不等，並且包含超過類地天體質量150倍以上的質量。
這兩種型別的行星都被認為來自普遍的形成過程，其中在氣體湍流盤中旋轉的塵埃微粒碰撞並粘在一起，形成公里級的物體，稱為星子，類似於未清掃的廚房地板上由氣流和靜電力形成的塵埃球。最大的星子也具有最大的引力，並且隨著它們掃過軌道上殘留的碎片而迅速變得更大。在從雲層坍塌後的可能一百萬年內，我們太陽系的原行星盤——就像宇宙中的任何其他原行星盤一樣——充滿了月球大小的行星胚胎。
最大的胚胎位於當今的小行星帶之外，距離新生太陽的光和熱足夠遠，冰可以在原行星盤中存在。超過這條“冰線”，胚胎可以大量吸收行星構建冰，從而長到巨大的尺寸。在一個熟悉的富者更富的例子中，最大的胚胎也是增長最快的，因為其更大的引力場迅速從周圍的盤中雕刻出大部分可用的冰、氣體和塵埃。在短短一百萬年左右的時間裡，貪婪的胚胎已經成長為木星。理論家們認為，這是我們太陽系兩類結構的出現的關鍵時刻。由於被木星超越，我們太陽的其他巨行星形成較小的天體，因為它們生長較慢，只有在木星減少了可用量之後才加快了它們吸引氣體的引力。內部世界仍然小得多，因為它們誕生於冰線以內，那裡的盤相對缺乏氣體和冰。
除了少數令人煩惱的細節，例如火星和水星極小的質量之外，這種“木星優先”的敘事似乎是對我們太陽系結構的一種令人滿意的解釋。對圍繞其他恆星執行的系統的期望是明確的：最終會在冰線之外的長期軌道上發現巨行星，而岩石世界將以幾年或更短的軌道週期大量存在。然而，這些先入之見被證明是具有欺騙性的。
系外行星革命
當20多年前天文學家開始發現系外行星時，他們還將太陽系形成的理論放在銀河尺度上進行了檢驗。許多最早已知的系外行星是“熱木星”，即氣態巨行星以僅僅幾天的軌道週期圍繞其恆星快速旋轉。在如此靠近恆星表面的灼熱區域存在巨行星，那裡完全沒有冰，這與行星形成的經典圖景完全矛盾。為了調和這種差異，理論家們得出結論，這些行星在更遠的地方形成，然後以某種方式向內遷移。
此外，根據美國宇航局開普勒任務等調查發現的數千顆系外行星，天文學家現在得出了令人不安的結論，即類似太陽系的系統相對罕見。平均行星系統包含一個或多個超級地球（比地球大幾倍的行星），軌道週期短於約100天。相反，巨行星——木星和土星的類似物——僅在約10%的恆星周圍被發現，而佔據平穩、幾乎圓形軌道的比例甚至更低。
由於他們的期望破滅，理論家們意識到，經典太陽系形成理論的“少數令人煩惱的細節”需要更好的解釋。為什麼太陽系的內部區域與系外行星的對應區域相比質量如此匱乏，只有相對瘦小的岩石世界而不是超級地球，並且在水星的88天軌道內根本沒有世界？為什麼太陽的巨行星的軌道如此平靜和分散？
就目前情況而言，這些問題的答案可以從經典行星形成理論未能解釋原行星盤的流動可變性中得出。事實證明，一顆新生的行星，就像海洋中的救生筏一樣，可以遠離其原點漂流。一旦行星長得足夠大，它的引力影響就會透過周圍的盤傳播，引發螺旋波，這些螺旋波本身會施加引力，從而在行星和盤之間產生強大的正反饋和負反饋。相應地，可能會發生動量和能量的時間不可逆交換，從而使年輕的行星開始在它們的出生盤中進行史詩般的旅程。
當考慮到行星遷移過程時，盤內的冰線不再在塑造行星系統結構中發揮獨特的作用。例如，誕生於冰線之外的巨行星可以透過向內漂移，沿著氣體和塵埃螺旋向下朝向恆星移動而變成熱木星。問題是這個過程幾乎太有效了，似乎是所有原行星盤普遍存在的特性。那麼，如何解釋木星和土星遠離太陽的遙遠軌道呢？
大頭釘
一個令人信服的解釋的第一個暗示來自2001年弗雷德里克·馬塞特和馬克·斯內爾格羅夫的計算機模擬，當時兩人都在倫敦瑪麗女王大學。馬塞特和斯內爾格羅夫模擬了土星和木星軌道在太陽原行星盤內的同時演化。由於土星的質量較低，其向內遷移速率比木星快，並且隨著它們的遷移進行，這兩顆行星越來越近。最終，軌道達到一種稱為平均運動共振的特定配置，其中木星每圍繞太陽旋轉三圈，土星就旋轉兩圈。
透過平均運動共振連線的兩顆行星可以在彼此之間像行星際燙手山芋遊戲一樣來回交換動量和能量。由於共振擾動的相干性質，這兩個世界基本上對彼此及其周圍環境施加了放大的共同引力影響。對於木星和土星而言，這種蹺蹺板運動使行星能夠共同將它們的重量拋向原行星盤，在其中雕刻出一個巨大的間隙，木星在內側，土星在外側。在這一點上，由於其較大的質量，木星對內盤的引力比土星對外盤的引力更大。與直覺相反的是，這導致兩顆行星都逆轉方向並開始遠離太陽漂移。這種先向內後向外的猛撲通常被稱為大頭釘，因為它類似於帆船迎風換舷逆風改變方向的運動。
在2011年，即大頭釘最初概念的十年後，當時在法國尼斯蔚藍海岸天文臺的凱文·J·沃爾什及其同事的計算機模擬表明，它不僅可以巧妙地解釋木星和土星的動力學歷史，還可以解釋岩石和小行星的分佈，以及火星的微小質量。當木星向內遷移時，它的引力影響捕獲並引導了其路徑上的星子穿過盤，像雪犁一樣將它們舀起並推到前面。如果我們假設木星遷移到離太陽最近的地方，即在火星的當前軌道之前才折返回來，那麼它可能已經將總質量約為地球質量10倍的冰冷構建塊運送到太陽系的類地區域，併為那裡播撒了水和其他揮發物。這個過程還將在內部星雲的行星形成物質中建立了一個清晰的外邊緣，從而截斷了附近行星胚胎的生長，該胚胎最終變成了我們所知的火星。
木星的大襲擊
儘管大頭釘情景在2011年看起來很有說服力，但它與我們太陽系剩下的另一個巨大謎團，即水星內部完全沒有行星的關係仍然難以捉摸。與其他擠滿了近距離超級地球的系統相比，我們的太陽系似乎幾乎被掏空了。為什麼？我們太陽系似乎沒有參與我們在宇宙其他地方看到的行星形成的主要模式，這很奇怪。在2015年，我們中的兩位（Batygin和Laughlin）考慮瞭如果太陽周圍存在一組假設的近距離超級地球，大頭釘會對它們產生什麼後果。我們得出的驚人結論是，它們無法在大頭釘中倖存下來。值得注意的是，木星的向內-向外遷移可以解釋我們擁有的許多行星的特性，以及我們沒有的行星的特性。
當木星衝入太陽系內部時，它對其路徑上的星子的雪犁般的影響應該已經將它們整潔的圓形軌道攪動成一個無序的螺旋狀、相交的軌跡群。一些星子會以巨大的力量碰撞，破碎成碎片，這些碎片不可避免地會產生進一步的破碎碰撞。因此，木星的向內遷移很可能引發了碰撞級聯，侵蝕了星子群，基本上將它們磨回巨石、鵝卵石和沙子。
在內部原行星盤的氣體限制內受到碰撞磨削和空氣動力學阻力的衝擊，破碎、侵蝕的星子釋放出它們的能量，並在軌道衰變雪崩中迅速螺旋向下靠近太陽。當它們墜落時，它們很容易被進一步的共振捕獲，不祥地堆積在任何原始近距離超級地球的地平線上。
對於那些行星來說，這將是非常糟糕的訊息，這些行星突然會受到寄生蟲群的騷擾，這些蟲群以它們的軌道能量為食。由於不斷受到流經圓盤的氣體的阻礙，蟲群應該直接螺旋進入太陽。但是，由於它們與超級地球的共振，蟲群被固定在原位，從行星中虹吸軌道能量，並將其作為空氣動力學阻力的熱量釋放出來。淨效應是，侵蝕的星子群以無情的效率將行星推入死亡螺旋，逐漸降低每個世界的軌道，以至於它們一個接一個地墜入太陽。我們的模擬表明，在碰撞級聯開始後，這些假設的行星中沒有一顆能夠存活超過數十萬年。
因此，木星和土星的大頭釘可能對我們太陽系中一群原始的近距離行星發動了一場真正的大襲擊。隨著這些昔日的超級地球衰變成太陽，它們會在太陽星雲中留下一個荒涼的無人居住的空腔，延伸到大約100天的軌道週期。結果，木星在早期太陽系中的一瞥式猛撲產生了一個相對狹窄的岩石碎片環，類地行星從中整齊地凝聚成形，發生在數億年後。這種精巧的編排所需的偶然事件的串聯表明，小型、類地岩石行星——甚至可能是生命本身——在整個宇宙中可能都是罕見的。
尼斯模型
當木星和土星從它們闖入內部系統的行動中犁迴向外時，太陽周圍的氣體和塵埃盤正在衰退。共振對木星和土星最終遇到了新形成的的天王星和海王星，以及可能還有另一個類似大小的天體。在消散氣體的引力效應的幫助下，動態二人組也將這些較小的巨行星鎖定在共振中。因此，正如大多數盤的氣體消失一樣，太陽系的內部結構可能由地球當前軌道附近的岩石碎片環組成。在其外部區域，由至少四顆巨行星組成的緊湊而共振的鏈條位於木星當前軌道和大約海王星當前軌道的中點之間，幾乎呈圓形軌道。在最外層巨行星軌道之外，外部盤的冰凍星子延伸到太陽系的最遠邊緣。在數億年的時間裡，類地行星形成，曾經狂野的外部世界安定下來，進入了可能持久穩定的狀態。但正如偶然事件發生的那樣，這並不是我們太陽系演化的最後階段。
大頭釘和同期的“大襲擊”在我們太陽系的歷史中安排了最後一次行星際暴力，這是一個畫龍點睛之筆，使我們太陽的行星群接近我們今天看到的配置。最後一次喘息被稱為後期重轟炸，發生在41億至38億年前之間，當時太陽系暫時變成了一個射擊場，充滿了撞擊星子的彈幕。我們今天在地球衛星月球上佈滿巨大隕石坑的表面看到了它的傷疤。
2005年，我們中的一位（莫爾比代利）與尼斯蔚藍海岸天文臺的幾位同事合作，提出了所謂的尼斯模型，以解釋巨行星之間的相互作用如何產生後期重轟炸。大頭釘結束的地方，就是尼斯模型開始的地方。
緊密堆積的巨行星仍然彼此共振，並且仍然感受到外圍冰冷星子的輕微引力拖拽。事實上，它們正處於不穩定的刀刃上。數百萬個軌道在數億年的時間裡積累，來自外部星子的每一個微不足道的拖拽都微妙地改變了巨行星的運動，慢慢地削弱了束縛它們的共振的微妙平衡。當其中一顆巨行星與另一顆巨行星失去共振時，轉折點就來了，解開了平衡，並引發了一系列混亂的行星-行星擾動，這些擾動使木星稍微向內移動，同時將其他巨行星向外散射。在宇宙學上短暫的數百萬年時間裡，外太陽系經歷了一次劇烈的轉變，從一個緊密堆積、幾乎圓形的穩定狀態轉變為一個廣闊、無序的配置，其特徵是行星具有寬闊、偏心的軌道。巨行星之間的相互作用非常劇烈，以至於一顆或多顆行星可能被散射出去，被噴射到星際空間的邊界之外。
如果動力學演化到此為止，外太陽系的結構將很好地符合我們在巨型系外行星中看到的趨勢，其中許多系外行星圍繞其恆星佔據偏心軌道。然而，值得慶幸的是，引發混亂的冰冷星子盤也透過隨後與巨行星偏心軌道的相互作用，幫助消除了混亂。大多數近距離經過的星子被木星和其他巨行星丟擲，逐漸從行星中吸收軌道能量並再次使其軌道圓形化。雖然大多數星子被噴射到太陽引力範圍之外，但一小部分仍然留在束縛軌道中，形成了一個冰冷碎片的盤，我們現在稱之為柯伊伯帶。
第九行星，最終理論
使用最大的望遠鏡進行的耐心觀測工作正在逐漸揭示柯伊伯帶的完整範圍，慢慢地揭示出意想不到的結構。特別是，天文學家在柯伊伯帶最遙遠的天體中發現了一種奇特的模式，這些天體存在於可探測性的外限。儘管這些天體與太陽的距離範圍很廣，但它們的軌道高度聚集，就好像它們都受到一個共同的、非常大的擾動一樣。Batygin和加州理工學院的邁克爾·E·布朗進行的計算機模擬表明，這種情況是由一顆尚未觀測到的第九行星自然產生的，該行星的質量約為地球質量的10倍，並且在圍繞太陽的軌道上高度偏心，週期約為20,000年。這樣的行星不太可能在如此遙遠的地方形成，但它可以很容易地被理解為太陽系嬰兒期從更近的地方彈出的流亡者[參見下文“來自外太空的第九行星” ]。
如果得到證實，太陽周圍存在第九行星將大大收緊我們對我們奇怪的、被掏空的太陽系的理解的約束，對我們可能編織的解釋其所有異常現象的理論施加新的限制。即使現在，天文學家們也在調集地球上一些最大的望遠鏡來熱切地尋找這個假想的世界。它的發現可能標誌著我們發現自己在宇宙中的位置的漫長而複雜的故事的倒數第二章，僅次於尚未寫成的結論，即當我們最終發現圍繞其他恆星執行的生命世界時。
就像DNA鏈一樣，透過測序，揭示了人類在小星球表面上的古代遷徙故事，天文線索使我們的計算機模擬能夠重建行星在太陽系數十億年生命週期中雄偉的遊蕩。從它在洶湧的分子云中誕生，到它的第一批行星的形成，到大（At）襲擊和尼斯模型的驚天動地的成長痛苦，再到生命和知覺在浩瀚的銀河系中至少一個太陽周圍的出現，我們太陽系的完整傳記將是現代科學中最重大的成就之一——無疑也是有史以來最偉大的故事之一。
來自外太空的第九行星
新假設的“第九行星”是否符合關於太陽系起源的最新想法？
作者：Michael D. Lemonick
太陽系在遙遠的過去被暴力改組的想法可能解釋了柯伊伯帶和環繞我們的奧爾特雲的冰冷天體的存在、數十億年前小行星對內行星的古代轟炸，以及所謂的超級地球的明顯缺失，而其他太陽系中超級地球卻很豐富。但現在行星科學家們有了新的難題要解決：一顆假想的行星，質量可能是地球質量的10倍，在冥王星之外的黑暗區域執行。如果它存在，這個暫定名為第九行星的世界的引力可能是少數已知的柯伊伯帶天體沿著圍繞太陽的可疑相似路徑執行的原因。
但它也可能是太陽系早期歷史中經歷的劇烈變化的又一個線索。據估計，它與太陽的最小距離為305億公里——是冥王星平均距離的五倍——這個巨大的世界不太可能在它現在的位置形成。根本沒有足夠的物質來建造它。“如果它在那裡，”西南研究所的行星形成理論家哈羅德·F·萊維森說，“它最有可能形成在約五到二十個[日地距離]之間的區域，並被[與木星或土星的引力相互作用]向外散射。”
這一點是無可爭議的。普林斯頓高等研究院的斯科特·特雷梅恩說，尤其是木星，質量非常大，“它不在乎散射的是彗星還是質量為地球10倍的行星。”然而，一旦它被踢出，行星就會傾向於繼續前進，最終逃逸到星際空間。它會轉而穩定在圍繞太陽的軌道上的機率極低。萊維森說，從統計學上講，你需要從50或100個開始才能得到一個——他認為這不太可能。
當然，如果天文學家真的透過望遠鏡發現了第九行星，那麼可能性問題就變得毫無意義了。儘管如此，如此不可能的事情是如何發生的這個問題是理論家們必須努力解決的問題。“我的猜測，”特雷梅恩說，“是散射過程比標準模型會讓我們相信的更有效率”——也就是說，比大家想象的更高比例的向外拋射物體設法留在太陽系內。
猶他大學的本·布羅姆利認為，這種情況發生的一種方式是，超級地球的散射發生在太陽系生命週期的早期，在形成行星的原行星盤中的氣體消散之前。布羅姆利指出，如果超級地球的散射發生在該時期內，“行星可能會與氣體相互作用，並在偏遠地區穩定下來。”
或者，華盛頓特區卡內基科學研究所的理論家內森·凱布說，第九行星，如果它存在，可能不是來自我們太陽系。太陽不是單獨形成的，而是在一個可能由數千顆恆星組成的星團中形成的，每顆恆星（最有可能）都有自己的行星系統。至少其中一些系統會經歷它們自己的暴力改組，就像太陽可能做的那樣拋射物體。“這些，”凱布說，“可以被我們自己的太陽捕獲。”
最佳解釋將取決於第九行星的軌道結果如何；它的支持者只計算了一系列可能性。如果它確實存在，科學家應該能夠弄清楚它是如何到達現在的位置的。特雷梅恩說，關於第九行星是否符合當前關於早期太陽系的思考的答案，“絕對是‘可能’。”
Michael D. Lemonick 是大眾科學的觀點編輯。