太陽系的狂亂青春
作者撰文／貝提金（ Konstantin Batygin ）、勞夫林（ Gregory Laughlin ）、 莫爾比代利（ Alessandro Morbidelli ）翻譯／甘錫安 | 科學人雜誌 – 2016 年 8 月 5 日
天文學家從系外行星獲得啟發，太陽系誕生過程可能更戲劇化，包括四處流浪的行星，以及毫不留情的撞擊與毀滅。
經過多年的反覆傳誦，我們已經非常熟悉太陽系誕生的故事。數十億年前，尚未成形的太陽系仍是一團緩緩旋轉的烏黑氣體和塵埃。後來這團物質開始塌縮，核心部份形成太陽。一段時間之後，八大行星和小如冥王星的天體逐漸從繞著太陽旋轉的剩餘氣體和碎屑中誕生。太陽和八大行星自此開始在太空中運行，如時鐘般規律又易於預測。
近年來，天文學家卻觀察到一些蛛絲馬跡，足以推翻這個眾所周知的說法。比起其他數千個新發現的太陽系外的行星系統，太陽系有許多不尋常的特徵，包括內側是固態行星、外圍是氣態巨行星，以及水星內側沒有其他行星等。借助電腦模擬，我們逐漸了解太陽系的這些特徵都源自動盪不安的形成初期。那些不尋常的特徵以及形成過程中的劇變和混亂，都超乎我們預期。
太陽系誕生故事的新情節包括了行星被迫離開誕生地四處流浪、迷途行星墜入太陽毀滅，以及孤獨巨行星被拋入冰冷黑暗的近星際空間。天文學家研究這些古老事件和其可能留下的痕跡（例如最近提出的第九行星假說，也就是冥王星軌道之外的區域可能還有尚未發現的行星），除了對太陽系重要的形成時期逐步拼湊出新圖像，也對太陽系身處的宇宙環境有了新認識。
太陽系誕生的古典模型
行星是恆星形成過程的副產物，恆星在巨大分子雲（ giant molecular cloud ）的核心形成，這片分子雲的質量可能高達太陽的一萬倍。密度極大的稠密核區域可能會自行塌縮，形成中心發光的原恆星，周圍環繞一圈不透明的氣體與塵埃，稱為原行星盤（ protoplanetary disk ）。
數十年來，天文學家一直希望透過太陽的原行星盤，解釋太陽系為何同時具有固態行星和氣態行星兩種截然不同的行星。四顆類地行星的公轉週期介於水星的 88 個地球日和火星的 687 個地球日之間，相反地，目前已知的氣態巨行星則位於距離太陽相當遠的軌道，公轉週期介於 12~165 個地球年，質量則比類地行星還要大 150 倍以上。
天文學家原本認為這兩類行星的形成過程十分相似。在這類過程中，塵埃微粒在騷動不安的氣體盤內不斷旋轉，互相碰撞並聚集在一起，形成直徑數公里的微行星（ planetesimal ），狀況類似廚房地板久未打掃：灰塵在氣流和靜電力作用下形成灰塵團。微行星越大，重力越強，在軌道上運行時不斷吸引周圍的碎屑而越變越大。自塵埃雲塌縮後約 100 萬年，太陽系的原行星盤和宇宙中其他原行星盤一樣，充滿了大小與月球相仿的行星胚胎。
其中最大的胚胎位於現今的小行星帶以外。這裡距離剛形成的太陽較遠，因此原行星盤中的冰不受太陽的光和熱影響，可以繼續存在。在這條「雪線」外的行星胚胎可繼續吞噬大量的冰，因此變得非常龐大。在「富者更富」的情況下，最大的行星胚胎重力較強，很快便吸去原行星盤內鄰近區域大部份的冰、氣體和塵埃，因此成長最快。僅僅約 100 萬年，這個貪得無厭的胚胎就長成木星。理論天文學家認為，此時是太陽系出現兩類相異結構的重要時刻。木星的成長速度超越太陽系中其他巨行星，必須在木星吞噬所有周圍物質後，其他巨行星才能吸引氣體、增強重力，因此只能形成較小的行星。太陽系內側的行星誕生在雪線以內，而原行星盤此區域所含的氣體和冰較少，所以體積更小。
除了火星和水星這類極小行星的棘手細節，「木星搶先」的說法似乎已可完整解釋太陽系的結構。環繞其他恆星的系統應該也會符合這項理論：氣態巨行星將出現在雪線之外、公轉週期極長的軌道，固態行星則散佈在公轉週期僅數個地球年的軌道上。然而，這些說法其實不正確。
