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現在是太陽系探索的激動人心的時刻。NASA 的黎明號任務現在已經進入了圍繞小行星灶神星的軌道,灶神星是一個直徑 500 公里的岩石塊,以及誰也不知道的其他物質,它在火星之外和傳統小行星帶中繞太陽執行。在灶神星停留一年後,黎明號將脫離軌道,前往被稱為穀神星的 1000 公里冰體,並於 2015 年抵達。
這些天體共同代表了我們太陽系中小天體的冰山一角,在主小行星帶內至少有 200 萬個大於 1 公里的岩石和冰塊,以及數量更多的更小的碎片。它們也代表了太陽系歷史的關鍵部分,很可能來自岩石行星形成的早期階段,但每個天體都具有非常不同的特徵;灶神星是乾燥的,穀神星是冰冷的。現在看來,它們可能在我們自身區域性環境的引力演化中發揮著重要且出乎意料的作用。
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與灶神星相遇的同時,Laskar 及其同事對太陽系動力學的一項新研究揭示了這些行星物質小塊相當顯著且出乎意料的作用。儘管它們質量很小——穀神星的質量約為地球質量的 1/10,000,灶神星的質量約為穀神星的五分之一——但它們顯然對包括地球在內的內太陽系的長期軌道動力學產生重大影響。
我們早就知道太陽系中主要行星的軌道條件是邊緣混沌的。因此,很難確定大約 1 億年內行星軌道的過去或未來配置究竟會是什麼樣。水星可能會在十億年左右的時間裡墜入太陽,甚至與金星相撞。即使是廣義相對論的微妙影響也可能深刻地影響如此漫長的動力學演化。以前尚未充分探索的是較小天體(小行星和小行星)的行為及其對較大行星的影響。
Laskar 等人將穀神星和灶神星以及其他主要小行星智神星、婚神星和司理星納入了他們的引力模擬。儘管他們之前曾嘗試過這樣做,但這次他們更深入地研究了這些天體在非常長的時間尺度上的引力貢獻的細節,並發現了一些非常顯著的東西。不僅像穀神星和灶神星這樣的大型小行星的軌道比以前理解的更加混亂(將軌道引數的可預測性限制在不到 50 萬年的視窗內——在時間的長河中簡直是滄海一粟),而且它們的存在對地球的軌道橢率(偏心率)產生重大影響。這些微小的世界擾動著我們。結果是,地球自身的軌道變化在超過約 6000 萬年的任何時間內都無法回溯或預測。
換句話說,我們無法說出地球軌道橢圓形狀在 6000 萬年前是什麼樣子。這種形狀,雖然通常僅比圓形軌道相差約 1.7%,但會對地球氣候產生深遠的影響。它誇大了由於我們的行星傾斜而從太陽接收到的能量的季節性變化,這可能會驅動顯著的氣候變化。因此,即使軌道橢圓形狀的幾個百分點的微小變化也可能在地面上引發巨大的變化。正如 Laskar 和他的同事指出的那樣,這對古氣候研究來說是一個非常棘手的問題。人們可能希望將氣候的地質記錄與地球的軌道歷史相匹配,但穀神星和灶神星微妙的引力攝動似乎足以使這成為不可能。
對於系外行星環境的研究來說,這也是相當令人沮喪的訊息。我們可能希望能夠根據簡單的引數(例如當前軌道、恆星母體的型別和行星成分)將一些類地系外行星標記為“宜居”。但我們自己的太陽系告訴我們的是,我們最多隻能給這些行星 AA 評級,可能不是 AAA 評級——這將基於它們軌道歷史中此刻的單一快照。
積極的一面是,我們對自身宇宙狀況的特殊性瞭解得越多,我們就越有能力找到新的工具來探測我們自己的行星曆史和新世界。
