改进过的新太阳系
与在其他恒星周围发现的行星系相比，我们的太阳系是一个有秩序的世界，每颗行星都在稳定的近圆轨道上环绕着太阳运行。几世纪以来，人们认为行星长期的稳定性是显而易见的，它们就在现在所处的位置上产生，从环绕在周围的原行星盘中吸积气体以及较大的物质块，直到到达最终的尺度。
Photojournal网站主页所示，我们的太阳系是由环绕着太阳运转、有序排列的行星组成的。图片提供：NASA/JPL
但是走得更深入一点，你会发现这一过分单纯的图景存在严重的问题。举例来说，天王星与海王星最终应该比现在小得多，质量也更轻，原因是在距离幼年太阳数十亿英里之外的地方，原行星可搜集的物质非常稀薄，吸积过程也非常缓慢。相反，火星诞生在盘中的肥沃地带，最终可以达到的质量应该比现在的实际情况至少大10倍。而且也没有人真正明白小行星带存在的原因——尤其是为什么它可以大致分为靠近太阳的岩石天体（S型）以及距离太阳较远、以碳元素为主的异类（C型）两类。
几年前，动力学家解决了天王星—海王星难题。他们假定4颗巨型行星最初是靠得更加紧密的家族，一起在距离太阳5到12天文单位的舒适地带形成。
起初，这4个大家伙和平共处。但是在200万年后，事情变得不好收拾了。木星的引力将土星推上了一条高度摇摆的不稳定轨道，这引发的密近交会连锁反应最终将海王星和天王星扔到了现在所处的遥远行星际空间。
计算机模型表明，外行星在较窄的日心距范围（5到12天文单位）内形成（图中左下部分，如纵轴所示）。然而在大约200万年后，土星轨道与木星发生了5:3共振，偏心率变得更大。形成地比天王星更加靠近太阳的海王星与其他所有3颗行星发生了重复的密近交会，最终被外抛到了今天所在的地方。图片提供：A. Morbidelli & others/Astronomical Journal
现在理论家有了或多或少可以让外太阳系就位的模型，但是他们仍旧为内行星头疼。过小的火星与成分分层的小行星带的恼人问题仍旧存在。
更糟糕的是，对其他行星系的发现揭示出了根本不同的内行星结构：距离恒星非常近的“热木星”，它们的一年只有几天；轨道高度偏离正圆的大质量行星，任何与它们相遇的较小天体都会被抛出。由于在系外行星中，无序非常常见，太阳系可以最终变成任何小而紧密的系统都是令人惊讶的。
不过现在出现了模拟太阳系形成的突破，在上周美国天文学会行星科学分会的会议上，人们公布了其中的细节。得到4颗正确尺寸的类地行星外加正确类型的小行星很容易，不过需要对木星（以及土星）达到今天所在位置所经历的过程进行一些引人注目的新思考。
解决火星难题
这场革命的舞台实际上是在去年搭建的。当时加州大学洛杉矶分校的布拉德·汉森（Brad Hansen）试图用一种焕然一新的方式构造出内太阳系。他利用另一颗已知拥有密近地球尺度行星的系统——环绕着毫秒脉冲星B1257+12的行星系作为线索。这些发现于1991年、环绕脉冲星运转的行星经常被人忽视，原因是它们的主“恒星”太过极端了。
没有人知道靠近观看环绕着脉冲星B1257+12的行星系会是什么样子的，不过这里提供了一张可能正确的图示。3颗地球质量的行星在近距离内环绕着脉冲星运动；一颗小行星质量的天体（未在图中表示）在更远的地方运转。点击这里可见大图。图片提供：Robert Hurt
先前的计算机模拟假设，内行星是从一条致密的大质量物质带中吸积而成的，带中存在一英尺量级宽度的星子，几乎延伸到木星的位置。但是由此带来的结果都是质量过大的火星以及混乱的小行星带。然而汉森意识到，PSR B1257+12的行星必然是从靠近脉冲星的有限热物质盘中凝聚而成的。
当他以同样的方法应用到我们的太阳系之上时，他的初始条件是日心距离仅仅处在0.7到1.0天文单位之间的盘面，瞧！——他的计算机例行公事般地给出了几颗行星，较大的（将它们当作“地球”和“金星”好了）位于中间，较小的（“水星”与“火星”）在内外边缘上。
那么为什么地球与附近的邻居是起源于如此狭窄的盘面呢？汉森在去年发表结果的时候，对此毫无线索。他承认：“在我的论文中，我坦率承认，这是特别选择的。但是它成功了——实际上比任何先前的研究都成功得多。”
让类地行星在狭窄盘面（灰色条带）中形成的模拟给出了内行星的分布（23次计算给出的结果以空心圆圈表示），与实际分布（彩色圆点）吻合得很好。假设形成行星的铁元素丰度与其他类地行星相同，就可以给出水星的上限值。图片提供：Brad Hansen/Astrophysical Journal
同时，外行星圈子也在考虑，木星是如何免遭大量其他的系外巨行星的命运，没有被太阳近距离俘获的。理论上说，木星与太阳的原行星盘之间的潮汐相互作用会把它向内拉，让它遭遇或者几乎遭遇被吞没的命运。
然而早在1999年，当时在马丽皇后学院工作的理论家弗雷德里克·马塞特（Frederic Masset）与马克·斯内格罗夫（Mark Snellgrove）就说明了，木星确实向内迁移过——不过只是达到了与土星保持3:2共振的地方。在这里，木星每环绕太阳旋转3周，土星就旋转2周。这对行星在这里发生过运动反转，并向外运动。（这种耦合迁移机制有些复杂，如果有兴趣的话，你可以在这里看到详细说明。）
汉森猜测式的模拟与对巨型气体行星向内外迁移的认识一道，让太阳系模拟者喊出了“我知道了!”他们想，如果年轻的木星冒险走到了比现在的位置距离太阳近得多的地方，又会发生什么呢？
在上周的会议上，令人惊异的结果公布了。在法国蓝色海岸天文台从事博士后工作时与亚历山德罗·莫比德利（Alessandro Morbidelli）一道解决这一问题的凯文·沃尔什（Kevin Walsh）进行了计算机模拟，最开始将木星放在距离太阳3.5天文单位的地方，并让它向内爬行到1.5天文单位（大致相当于现在火星的轨道半径）。其结果的覆盖宽度和重要性都非常值得注意。
这张简化的序列图说明了太阳系早期历史中木星和土星的内外迁移是如何造就了诞生内行星的狭窄盘面的。它们的运动还在小行星带中造就了交叠分布的岩石（S）与碳质（C）天体区域。图片提供：Kevin Walsh/SWRI
首先，木星的引力也会将轨迹上的小物质块向内拉，形成了一个由扰动驱动的雪犁，让所有岩石星子堆积到一个外边缘距离太阳1天文单位的小型盘面中。根据来自行星科学学会的报告人、沃尔什小组的成员戴维·奥布赖恩（David O’Brien）的观点，木星只花费了10万年的时间就向内运行至距离太阳1.5天文单位的地方，又花费了50万年到达了现在距离太阳5.2天文单位的轨道上。。
其次，新的计算机模拟证实了汉森已经提出的观点：一个由岩石物质组成的小型盘面只延伸了1天文单位的距离，其中的物质只够凝结成4颗类地行星——而且火星也没有那么大。
在会议上，来自西南研究所的戴维·明顿（David Minton）与哈尔·利维森（Hal Levison）报告了他们的模拟结果，他们使用截取过的小型盘面，得出了同样的结论。一个关键的不同是，在明顿与利维森的模拟中，火星就在盘中形成，并且迁移到盘面边缘以外的地方。
这应该是件好事，因为运动的火星可以提供引力扰动，将富铁星子踢出盘面，进入内小行星带，现在这类天体正是往往在此处被发现。汉森评论道：“在我的计算中，火星在[盘面中的]原始位置非常易变。向外的迁移是散射所致，因此事情好了很多。”
第三，如果土星（通过3:2共振拖住了木星）质量不够大，不能通过潮汐力制止木星的运动并让两颗行星的运动方向逆转，木星可能会到达距离太阳更近的地方，也许径直朝太阳冲去。这样看来，类地行星的形成与存在就不是依靠木星，而是要取决于土星了。
第四，木星向内的迁移可以完全扫清距离太阳2到4天文单位的小行星区。这里的大多数天体都完全消失了，但是大约有15%被散射到了土星以外的盘面中。在两颗恒星掉转运动方向，向外迁移之后，这次它们向内散射了更多原先的错位天体，把它们送回了今天的小行星带中。
第五，在土星和木星继续向外运动，前往最终的轨道期间，它们遭遇了其他的小行星群。与来回抛掷的岩石天体不同，这些是形成于距离太阳6到9天文单位之间的富碳富水天体。它们被动力学二重唱向内拖曳，形成了如今外小行星带的主力。
新的图景？
概述一下：在包罗万象的叙述中，这些理论家给出了针对小火星以及分层小行星带（内层富岩石，外层富碳）的解释。新的理论还额外给出了一组在正确的时间尺度上（太阳诞生后大约3000万年）自然形成的一组4颗内行星。它甚至还为地球提供了水源（C型小行星）以及促使发生产生月球的巨型撞击的近地环境。
如果最近的计算机模拟是正确的，太阳系的内行星应该形成于一个狭窄的砾石盘面中，盘的宽度只有大约3000万英里。如此狭窄的盘面可以造就一个不太大的火星——而先前的模型没有做到这一点。图片提供：NASA/JPL/T. Pyle (SSC)
沃尔什说，这一激进的图景说明“我们对内太阳系演化的了解发生了范式转换”。这是谨慎的说法而已！对于我来说，这就是不能忘怀的维里科夫斯基学说（Velikovskian），只是这些家伙已经做足了功课。
“木星伟大的抢风航行”（如莫比德利所说）会禁住未来的检验吗？沃尔什与他的小组已经将进一步的结论提交给了《自然》杂志供出版，但是其他动力学家已经开始根据上周的报告见闻进行权衡了。西南研究所的同事威廉·博特克（William Bottke）观察道：“对于我来说，他们的模型有很多不错的地方。但是在全面宣布胜利之前，还需要检查许多第一位的东西。”
举例来说，现在广泛被接受的观点是，地球上的大多数水分是来自外小行星带的。但是博特克认为，沃尔什、奥布赖恩、莫比德利以及其他人提出的图景应该需要大规模的富水（C型）小行星仓库，总质量是如今小行星带中的上百倍。他说：“我们需要用更多的物理与宇宙化学来审查这些模型。”另外，木星与土星向内迁移的距离与土星羽翼丰满的速度与时间密切相关。“有效”的初始条件范围越宽，该模型正确的可能性就越高。
莫比德利仍旧自信地认为，他们正迈入某些深远的发现。他妙语道：“我们认为自己是天空中的地质学家。现在我们可以足够好地‘阅读’当前的太阳系排列，来探明早期的行星做了些什么。”
