海王星坎坷的童年可能揭示我们太阳系失踪的行星

现代太阳系平静地旋转，行星似乎永恒地围绕着太阳旋转。但情况并非总是如此。这种宁静似乎只是在行星冲突的角斗时期之后才出现的——在这场冲突中，行星之间相互撞​​击，也许至少将一个竞争对手从宇宙舞台上彻底驱逐出去。

多年来，研究人员一直在太阳系中搜寻线索，以了解那个相对混乱的时代可能如何发展。西南研究所的行星科学家戴维·内斯沃尼 (David Nesvorny) 在一片遥远的岩石群中发现了一处象征性的血迹，暗示着一场特殊的冲突：海王星与一颗未知行星之间的争斗，最终海王星胜出。他的分析于 12 月底发表在一份尚未经过同行评审的出版物上，进一步支持了太阳系曾经拥有超过目前所有行星的观点。

俄克拉荷马大学的行星科学家内森·凯布（Nathan Kaib）表示，为了让这群遥远的天体在模拟中脱颖而出，似乎“真的需要一颗行星来分散 [海王星]。” 这意味着，理论上，在过去的数万年中，至少有一颗额外的行星可能一直在绕太阳旋转，使海王星陷入混乱。

研究人员可以通过研究目前被称为柯伊伯带的冰球群来了解 45 亿多年前发生的事件。这些冰冻物体从海王星轨道附近开始向外延伸，千百年来一直自顾自，对大多数行星事件视而不见。

附近的海王星是个例外，它的轨道与许多柯伊伯带天体 (KBO) 的轨道同步，包括冥王星。这种同步是通过海王星的微妙引力推动而产生的，这本来会阻止这些柯伊伯带天体的形成。但由于冥王星及其同伴的存在，研究人员在 80 年代和 90 年代意识到，海王星一开始一定离太阳近 10% 到 20%，然后后来向外滑动（在冥王星及其同伴已经和平形成之后）。

但它是如何重新定位的呢？早期的一个想法是，它由于经常撞上小物体而呈螺旋状平稳地旋转，但一些观察结果暗示了更剧烈的重新排列：在太阳系最初的几百万年里，一些近距离撞击可能将行星弹射到椭圆轨道上的新位置。行星科学家委婉地将这一灾难性时期称为“不稳定”。

为了更好地了解海王星在不稳定时期发生了什么，内斯沃尼将重点放在了过去十年左右发现的数十颗柯伊伯带天体的一组特殊天体上。它们的轨道穿过柯伊伯带的边缘，但真正让它们与众不同的是，它们的轨道偏离太阳系的平面盘大约 10 度——这表明有什么东西把它们推了出去。“如果你有一个特定的轨道，就很难让它倾斜不同，”内斯沃尼说。

根据 Nesvorny 的最新模拟，这个东西很可能是一颗海王星，它沿着轨道向外滑动，轨道形状恰到好处——介于完美的圆形和更严重被压扁的椭圆形之间。其他情景只是没有将这群柯伊伯带天体以正确的倾斜度排列在正确的位置上。

要让海王星以那种方式精确移动，需要严重的震动，很可能是与另一颗质量相当的行星近距离接触。包括 Nesvorny 的研究在内的先前研究表明，早期太阳系最初容纳的巨行星不止木星、土星、天王星和海王星，如果所有轨道都出现一段时间的混乱，这种情况更有可能发生。Kaib 说：“如果存在不稳定性，那么失去行星的可能性要比保留原来的四颗行星大得多。”

当 Nesvorny 运行假设的太阳系版本，模拟第三个冰巨星（除天王星和海王星外），一切都符合预期。如果这颗神秘巨星几乎与海王星相撞，而海王星的轨道在向外移动时会拉长，从而使柯伊伯带天体具有独特的 10% 倾斜度。这些证据是间接的，但具有启发性。

“这就是科学，”他说，“你永远无法确切知道事情的真相，但这对我来说已经足够有说服力了。”

由于海王星在这次撞击中幸存下来，这颗额外的冰巨星很可能被抛出太阳系，在银河系的黑暗中游荡。然而，如果它没有受到足够的推力，无法完全摆脱太阳的引力，它可能会停在比现在海王星离太阳远 30 倍的地方——这正是一些天文学家预测的看不见的第九行星的位置。凯布说，在模拟中，这颗被踢出的行星只有大约 5% 的时间在太阳系中徘徊，但这并非不可战胜的几率。

内斯沃尼认为，要更好地了解年轻行星之间可能发生的冲突，只需更详细地绘制未受干扰的太阳系外围地图即可。这项任务将是即将建成的维拉·C·鲁宾天文台的主要目标，该天文台预计将于 2023 年开始科学运行。

“因为我们有柯伊伯带，”他说，“所以弄清楚发生了什么应该不难。”