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彗星塵屑中的天崩地裂起筆:行星遷移改變格局

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彗星塵屑中的天崩地裂起筆:行星遷移改變格局
圖注:大約38億到40億年前,地球遭遇了科學家們稱為“晚期重度轟炸”的天文事件:來歷不明的小行星和彗星紛落如雨,把大部分地面砸得面目全非。月球上也留下了累累隕坑。這粒塵屑是取自3.5億公裡開外一顆彗星的尾部,此時,在華盛頓大學一座地下實驗室的電子顯微鏡下,它的形像越放越大,直至填滿計算機的屏幕,如同一派外星景像。戴夫・約斯韋亞克把鏡頭聚焦在形如參差斷崖的一塊暗斑上,將放大率提高到90萬倍。斑塊化解為墨玉般的細小顆粒。“這些家伙有的橫豎不過幾個納米――真不是一般的小。”約斯韋亞克說。他的話音中帶著崇敬:“我們認為這是太陽系中一切構造的原始材料,以原貌保存至今。”這粒塵屑有個名字:印緹,印加太陽神的名字。過去的45億年時光,它可能差不多都是在彗星“維爾德2”內部以深凍狀態度過,位置在海王星以外。幾十年前,“維爾德2”不知怎的被推入了另一軌道,來到了木星的內側,並在太陽熱力下開始解體。2004年1月,美國宇航局一架名為“星塵”的探測器高速擦過這顆彗星,以氣凝膠材料――它蓬松、透光、像固態的煙――捕捉了數以千計的塵屑。兩年後,太空艙攜帶這批微妙貨物降落在猶他沙漠裡。“星塵”團隊從凝膠中剝出塵屑,放到電子顯微鏡下,窺探我們這個太陽系的起始點。他們被眼前的東西驚呆了。


圖注:巨星的躁動 地球遭遇的“晚期重度轟炸”可能是源於一次戲劇性的行星軌道紊亂,它使得海王星(畫面前景)和天王星擾動了太陽系外圍的彗星帶,木星則擾動了小行星帶。根據尼斯模型――因該假說誕生時所在的法國小鎮而得名――木星、土星、天王星和海王星最初於太陽星雲(充滿岩質、冰質碎屑的圓盤形雲團)中形成時離得很近。這四顆巨行星的強大引力將星雲中的碎屑或吸收、或甩飛,同時也令自身的軌道緩慢偏移,直到抵達某個臨界點。科學家久已知道,行星、彗星和環繞太陽的其他天體是在大約45億年前,誕生於一個旋轉的圓盤狀氣體塵埃團――太陽星雲。但他們多年來一直以為,天體的形成位置多多少少與其今日的軌道有所重合。如此說來,在海王星外的極寒領域,可用於產生彗星的材料應該只有冰和以碳元素為主的松軟塵埃。但“印緹”之中的深色顆粒含有異域礦物――堅硬的零碎岩石和金屬,如鎢、氮化鈦――它們只有在新生太陽附近的空間中,1700攝氏度以上的高溫下才會形成。一定是某種猛烈的過程將它們拋到了太陽系外層。“我們看傻眼了。”唐納德・布朗利說道。他是“星塵”團隊的首腦、約斯韋亞克的上司。“我們從太陽系最冰冷的天體中發現了這些生成於最高溫環境的物質,真是奇妙。看來太陽系曾把自己從裡到外‘翻了個面兒’啊。”我們中的大多數人在年少的時候,都覺得太陽系是可靠而規規矩矩運作的。“那時我們以為有九大行星循著雷打不動的軌道,如鐘表般運作,永遠如此。”美國亞利桑那大學的雷努・馬爾霍特拉說,“過去沒有變過,將來也不會變。”這種看法可追溯至牛頓,而在後世天文館的模型展品及“太陽系儀”等可愛儀器中得到具像體現。17世紀晚期,牛頓提出了以行星與太陽間的引力計算其軌道的方法;不久,鐘表匠們便造出越趨精巧的太陽系儀,其中設置了銅制的行星,沿固定不變的路徑繞日旋轉。

圖注:很久以前,在火星與木星之間的某處,兩顆小行星發生了碰撞。這塊900克重的隕石可能是從兩者中較大的那顆“灶神星”上崩落的,木星的引力後來把它甩向地球,落入南極的雪原。牛頓自己心裡清楚,現實並沒有如此爽利。他看到,行星們也會相互作用。它們間的引力拉扯遠弱於太陽引力,但年深日久,也能影響近鄰行星的路線。結果如布朗利所說:“壓根兒就沒有正圓形的軌道存在。”理論上,這無止境的引力拉扯能使微小的偏離逐漸加大,直到行星的軌道遷移、交叉或者一塌糊塗。牛頓最後斷定,上帝自會時不時出手校准這座天體大鐘。但他說不出此事於何時發生。即便是這位發明了微積分的科學巨擘,面對此等“多體問題”也束手無策:沒有什麼公式可以算出在遙遠的未來,多個彼此牽引的星體會進入怎樣的軌道。在現實中,當年誰也沒見過行星軌道當真發生改變的證據。於是鐘表式的太陽系模式在我們的認識中沿襲下來――即便沒有上帝的校准似乎也走得穩穩當當。但過去十年間出現了生動得多的理論。不僅“星塵”探測器的發現表明太陽系在“幼兒期”曾輾轉反側,許多科學家如今認為它在“青春期”也頗為躁動:最大的那幾顆行星在形成數億年後,曾殺入新的軌道,把巨大的石塊和彗星投向太空的四面八方。依照這種理論,月球傷痕累累的表面即是太陽系一個宏大狂亂期的殘留見證。“誰曾想那些龐大的行星還會遷移,以至改變太陽系的整個格局呢?”科羅拉多州西南研究所的艾倫・斯特恩說,這巨變在太空中留有痕跡,但一來需要通過新的望遠鏡調查來揭示,二來還須借助“數碼太陽系儀”――利用強大電腦能力來計算行星的過去未來軌道的智能算法。

圖注:美國宇航局的實驗室裡,一位科學家正在審視"星塵"探測器的太空捕獲裝置,其中藏有飛過“維爾德2”彗星時收集的塵屑。第一個線索來自冥王星。太陽系中這位“怪胎”的軌道上下偏移很大,與八大行星運轉的圓盤狀軌道不在同一平面上;它與太陽的距離是地球的30到50倍,以橢圓形軌道轉動。但最奇特的地方在於它與海王星的牽絆,即軌道共振:後者繞日三周所用的時間,剛好夠冥王星公轉兩周,而且兩者從不接近。1993年,雷努・馬爾霍特拉推測出了這種同步機制的形成過程。她提出,當太陽系年歲尚輕、充滿小行星和彗星的時候,海王星與太陽的距離要比現在近。如果有的小天體接近海王星,就會被後者的強大引力甩開,要麼變得離太陽更近,要麼徹底飛出太陽系,其動態類似甩出響鞭的過程。由於作用力會招致反作用力,海王星的軌道也會發生一點點改變。只憑人腦,即便是牛頓大人,也無法算出這種作用累積上萬億次的結果,但馬爾霍特拉的計算機模型顯示,它們的平均效應會促使海王星逐漸遠離太陽。按照她的推測,這會導致海王星“捕獲”本已遠離的冥王星,形成相引相從的共振關系。當年她的同行們對此不大認同,但十年間的觀測成果證明馬爾霍特拉是對的。天文望遠鏡對存在於海王星以外廣大黑暗空間中的柯伊伯帶進行觀測,發現了許多類冥天體――與海王星有著同樣“二比三”共振關系的冰封矮行星。馬爾霍特拉說,發生這種情況的原因只能是海王星朝著柯伊伯帶移動,其引力作用像推雪機一樣把大批矮行星掃進了新的軌道。“類冥天體一經發現,可以說是一錘定音。”她說,“行星遷移基本成為了教科書上的說法。”

圖注:美國宇航局的實驗室裡,一位科學家正在審視"星塵"探測器的太空捕獲裝置,其中藏有飛過“維爾德2”彗星時收集的塵屑。圖中可以看到,它們以2萬公裡以上的時速穿入捕獲裝置中的松軟氣凝膠,每一粒都留下了細如發絲的軌跡。此說面世之時,行星科學家也正為著太陽系的其他幾個特點而困惑。本世紀初,太陽系誕生之初的猛烈“陣痛”早已不是新鮮知識:行星並非從太陽星雲中溫和地凝集而成,卻是通過吞噬高速撞來的星子――岩質小行星、冰彗星及較大天體――來成就自身生長。一種理論認為,曾有一顆與火星等大的天體撞上地球,飛濺到衛星軌道中的熔化岩石結合後形成了月亮。這一切可能發生在最初的1億年間。不明之處在於,狂暴的星體運動並未自此停息。又過了好幾億年,月球受到一系列嚴重撞擊而永久留下了巨大環形山的創痕。這次所謂的“晚期重度轟炸”應使地球受到了更為凶猛的打擊。科學家對它的成因一度無法解釋,因為當轟炸發生的時候,各大行星基本已把軌道上的零碎天體掃清了。太空望遠鏡在柯伊伯帶發現了一個類似的謎團。那裡除了類冥天體,還散布著眾多軌道迥異的其他天體:有的聚集在一個圓盤狀的平面上,有的聚成甜甜圈形狀的松散雲團,另一些的軌道擁有比冥王星更誇張的橢圓度。“亂得跟遭了龍卷風似的。”斯特恩在西南研究所的同事哈羅德・利維森說。馬爾霍特拉為解釋類冥天體軌道而提出的海王星遷移是一種平緩的向外運動,不會把小天體攪得這麼亂。與此同時,天文學家開始發現其他恆星周圍的行星,並由此大大拓展了對行星系統中各種可能性的認識。被檢測到的太陽系外行星如今已達數百顆,它們有的擠在緊密的軌道中,間距比我們太陽系中的行星短得多;有的與木星或海王星差不多大,卻在靠近其恆星的奇熱軌道上高速旋轉;還有的拖著古怪的軌跡在深遠的太空中繞圈――總的來看,太陽系外行星的軌道比我們這邊的行星更不規則。有些行星甚至在星系外的空間中自在悠游。

圖注:45億年前太陽系諸行星的誕生過程極其狂暴。它們通過一系列驚天動地的撞擊,吞噬狹路相逢的其他行星胚胎而成長--也許正是其中一次的撞擊使得地球擁有了月亮。月球的大體積、低密度等特點表示,它可能是在一顆與火星差不多大的原行星撞上地球、蒸發掉自身及地球的部分岩質外殼之後,從爆炸的碎屑中降生。根據最新的一種假說,月球最初還擁有一個姐妹星。如果說行星誕生於某顆恆星周圍旋轉的圓盤狀星雲並自此安守其位的話,上述現像統統是匪夷所思的。那樣的形成過程應當造成排布合宜、近圓形的軌道,正如銅制太陽系儀中的那樣。顯然許多行星都作過遷移,但平緩的遷移似乎解釋不了極端的天體軌道和晚期轟炸,至少利維森不這麼認為。他開始懷疑,我們太陽系的歷史全然不是一帆風順――它經歷過某種“整體引力不穩定”時期。2004年他在休“安息年”長假的時候,與三位同行齊聚於法國尼斯,打算攻克這道難題。利維森身材魁梧,花白稀疏的頭發在腦後扎成馬尾,頜下一部聖誕老人式的豪放大胡子。他既嚴肅又滑稽,設在博爾德市的辦公室裡裝點著幾幅筆觸豐富的舊式星圖插畫、一個愛因斯坦玩偶和一具機器人模型。他熱衷於進行戳人神經的講話,有時還故意戴一副棒球捕手面具,表示對來自觀眾席的“拍磚”早有准備。“我接下來要講的絕對是瘋話。”是他在最近一次研討會上的開場白,“如果我把這言論公開發表,我的職業生涯就可能完蛋。”這番話早在2004年就用得上――他和幾位同行參照幾十次計算機模擬的結果,提出了如今被稱作“尼斯模型”的假說。簡而言之,利維森小組認為我們太陽系的四顆巨行星――木星、土星、天王星和海王星――最初形成於比現在緊密得多的近圓形軌道,後三顆與太陽的距離都比現在近。早期,它們都鑲嵌於圓盤狀的太陽星雲,周邊仍充滿冰質和岩質的碎片。隨著幾大行星將這些物質或吸收、或在近距離遭遇後甩出,星雲圓盤中便漸漸清出了空軌。此時,行星們彼此拉扯,整個系統飄搖欲破,“幾乎處於無限混亂的局面。”利維森說。各星體像是被引力的彈簧全部連綴在一起。其中最強的一根“彈簧”連著兩顆最大的行星――木星和土星,一抽動就會使整個系統發生震蕩。

圖注:名為“太陽系儀”的舊式模型描繪著一成不變的太陽系運作,而現實中的天體運作具有更強的隨機性:一位天文學家說,如果你讓一根鉛筆滾過桌面,說不定就能使木星10億年後在軌道上偏離半圈。利維森小組相信,這就是太陽系誕生5億年到7億年後的狀態。隨著行星與星子相互作用,它們的軌道有所變化。木星稍微移向內側,土星、天王星、海王星則稍向外移。一切都發生得很緩慢――直至到達某個特定的點,土星的公轉周期剛好變成木星的兩倍。這“一比二”的共振關系不像海王星和冥王星間的共振那樣穩定,對於“彈簧”是一記短促而有力的牽引。隨著木星和土星在各自軌道的同一位置反反復復地接近、拉扯對方,其近圓形的軌道被拉成我們今日所見的橢圓形。這很快打破了它們之間的精確共振,但在共振終止前,土星已移動到距離天王星、海王星足夠近的位置,令後兩者加速,並猛烈地向外甩出。利維森小組在尼斯探究的計算機模擬中,有大約一半甚至得出了兩星互換位置的結果。

圖注:灶神星未能成長為一顆行星,但它禁受住了天長日久的打擊,如今以超過500公裡的直徑,居於火星與木星之間小行星帶的第三大天體之位。落到地球的隕石之中,有百分之六是灶神星崩落的碎片。天王星和海王星撲進太陽系的外圍區域,狂掃仍然密集分布在那裡的冰質星子,引發了災難性的連鎖反應。冰球向四面八方彈射,而兩大巨星各捕獲了其中的幾顆,使之成為軌道奇特的衛星。許多天體,也許包括彗星“維爾德2”在內,紛紛散入柯伊伯帶。另有不計其數的星體――也許有1萬億顆――被放逐到了更遠的奧爾特雲,它由彗星構成,如繭般把太陽系包在核心,外圍已延伸到距毗鄰的恆星大約半途的地方。還有許多彗星被甩入太陽系內部,撞上行星,或者在太陽的熱力下解體。

圖注:美國加利福尼亞州的金石太空天線直徑70米,生成的雷達圖像可以揭示小行星的大小、速度、距離--以及它是否正向地球飛來。今年2月,一顆直徑40米的岩石天體從距離地球27700公裡的地方飛過,此接近程度已超過有些人造衛星。此外,巨行星的遷移也擾亂了木星和火星間的岩質小行星帶。飛散的小行星加入遠道而來的彗星行列,制造了“晚期重度轟炸”。美國宇航局在最近的一次太空任務中,用探測器紀錄下了月球過去所受的打擊之重:它的整個地殼綻開了深深的裂紋。地球估計被打得更慘,但地質板塊的漂移已掩住了那些隕坑。當時若有早期生命存在,也只有在地下深處才活得下來。

圖注:據科學家推斷,木星曾在太陽系早期的大混亂中把上萬億顆彗星--也許還包括幾顆行星--甩進了深深的太空。這些星體只受著太陽引力的輕微約束,如今已圍繞太陽系組成了一個球形雲團,名為奧爾特雲。在這幅從雲團內側望出去的假想畫面中,太陽和它的司空見慣的“隨從”們成了一個明亮的小漩渦,前景裡潛伏著一顆人們尚未發現的行星。正興建於智力的一架新型太空望遠鏡有望揭示這類行星。按照尼斯模型推測,“晚期重度轟炸”的高峰持續了不到1億年。但西南研究所的比爾・博特克最近發現,後續的轟擊也許在長達20億年的時間裡不斷攪擾著地上的生命。當一顆小行星撞進地球時,水滴般的熔化岩石會高高飛入大氣,之後又變成玻璃珠般的小球落下。約6500萬年前撞擊尤卡坦半島、令恐龍滅絕的小行星直徑有10公裡,它灑落的小石球在全球許多地方都有出土。迄今科學家已至少發現了十幾處可與之相比的小球礦床,代表著發生於37億年前到18億年前的一系列小行星撞擊。博特克的小組用計算機模擬來追查這些轟擊的源頭,發現是來自小行星帶現已消失的內環。博特克說,其間可能有多達70顆小行星撞上地球,每顆都能與滅盡恐龍的那一顆相比。

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