大多數科學家在演講時不戴防護帽。 話又說回來，大多數科學家並不是那些揮舞著糕點的同事的目標。
但去年十月，當天作家哈爾·利維森（Hal Levison）提出他所謂的「有點激進」的構建太陽系巨行星的機制時，他已經準備好了。
「我真的有點害怕對此的反應，」萊維森說，他走到講台後面，取出一個棒球接球手的面具，他在法國舉行的一次行星科學會議上發表演講時戴上了這個面具。
好事，因為觀眾中至少有一位科學家被逗樂了，並善意地扔了一份法式糕點。
科羅拉多州博爾德市西南研究所的萊維森提出，木星、土星、天王星和海王星等巨型行星是在地球目前繞太陽運行的距離附近開始形成的。 他說，行星核心一顆一顆地長大並向外噴射，尺寸不斷增大，就像翻滾的雪球聚集物質一樣。 標準觀念描述了一個更平靜的胚胎環境，外行星在太陽系誕生後（大約 45 億年前）同時開始生長。
萊維森的設想是最近提出的幾項提議之一，這些提議試圖填補外太陽系過去的一些空白。 其中一些提議補充了一個被廣泛接受的理論，該理論描述了太陽系形成時期的大部分內容。 其他想法試圖解決理論中的一些明顯障礙，稱為尼斯模型。
尼斯以法國這座城市命名，研究人員將其聚集在一起，一旦這四個巨人完全長大並將它們種植得更近，尼斯的故事就開始了。 早期的章節講述了幾百萬年來這對巨大的兄弟姐妹互相推擠和戳戳的故事。 故事的中間部分主要是一段極度動蕩的時期，最終導致太陽系發生災難性的重組——這種不和諧在太陽系十億歲生日時自行解決，巨大的行星進入了今天佔據的軌道。
雖然這個故事解釋了許多關於太陽系的觀察結果，但它並沒有回答所有的問題，例如故事開始之前發生了什麼，類地行星是如何倖存下來的，以及為什麼火星如此之小。 最近的提案，包括萊維森的翻滾行星想法和另一位尼斯建築師的第二個提案，就像一個序幕，發生在太陽系誕生後大約 500 萬年，早在尼斯模型開始之前。 另一項調整旨在透過引入第五顆巨行星（一顆失散已久的兄弟姐妹，現在正在星際空間中徘徊）來保護地球免受模型中故事中的湍流的影響。
一個好故事
太陽系早期的重建可能會受益於對系外行星系統的觀測、小行星和其他小天體中包含的證據，以及未來對巨行星的太空船訪問。 但大多數研究都利用物理定律來探索這個早期時代，在不同的起始條件下模擬行星軌道的演化。 「這個天文學分支的一個好處是它的物理學是可以理解的，」加州大學聖克魯斯分校的天文學家格雷格·勞克林說，他研究行星系統如何形成和演化。 “這些傢伙都在互相拉扯，並與牛頓引力相互作用。”
當最常見的結果與目前的行星配置相符時，科學家傾向於接受早期太陽系的模擬場景。 Nice 模型（由 Levison 和他的同事於 2005 年首次報告）在這方面做得很好。 它首先是四個巨星的緊湊結構，其距離是地球當前軌道距離太陽（稱為天文單位）的 5.45 倍，是地球軌道距離的 17 倍。
幾百萬年後，木星和土星的軌道演變成顛覆年輕太陽系的結構，將小天體向內拋擲，並將天王星和海王星分散到目前的距離。 加州理工學院的研究生康斯坦丁·巴蒂金 (Konstantin Batygin) 說：「事情開始到處亂竄。」他的研究工作是基於尼斯模型。
海王星最終達到了現在的位置，為 30 個天文單位。 拋向內太陽系的物質解釋了所謂的晚期重轟炸期，這是一個以飛行彗星和小行星為主的時期，並記錄在月球等天體上的坑坑洼窪的疤痕中。SN：2009 年 2 月 14 日，第 14 頁 26）。
直到太陽系存在了大約九億年後，它的居民才定居在現在的位置。 該模型以行星實現這種穩定的配置結束。
尼斯模型還解釋了在木星和海王星附近運行的特洛伊小行星、不規則軌道上的太陽系外衛星群以及冰冷的柯伊伯帶，這是一圈生活在海王星軌道之外的小型冰凍天體。
「這是城裡唯一的遊戲，」西南研究所的行星科學家比爾·博特克說。 “沒有任何競爭模型能夠接近做到這一點。”
翻滾的行星
但尼斯模型並沒有解決一個關鍵要素：如何建構行星胚胎，也就是形成行星核心的固體種子。 萊維森談到模型的起點時說，研究人員只是將完成的行星投入其中。 「每個人都這樣做，但他們都說這顯然是錯誤的，」他說。 “當你嘗試做正確的事情時會發生什麼？”
正確做法——即試圖捕捉全局——包括被稱為星子的起始成分。 這些小行星大小的物質塊漂浮在原行星盤內，相互碰撞，有時會形成更大的物質塊。 當這些塊體成長為質量為 10 個地球的胚胎時，它們開始從盤中爭奪氣體，最終透過所謂的「核心吸積」過程產生巨大的行星。
大多數科學家認為，烹飪一顆巨大的行星是這樣開始的，從內到外。 但有人說，在不到 500 萬年的時間內——在氣態盤消失之前——生長出一顆巨大的行星是有問題的。
加州理工學院的行星科學家戴維·史蒂文森(David Stevenson) 表示，當尼斯模型成立時，一顆在木星所在的圓盤深處開始發育的種子可以相對較快地成為一顆巨大的行星，只需300 萬年。 儘管如此，在天王星和海王星所在的盤面外部、較冷的部分，這個過程將需要更長的時間。 「你的時間不多了，」史蒂文森說。
萊維森的翻滾行星理論可以解決這個時間尺度問題，並在尼斯模型開始之前讓行星到達它們需要的位置。 他說，在距太陽一個天文單位處形成並通過圓盤向外移動的行星胚胎“像猛獸一樣生長”，並指出在他仍處於初步計算中，一顆月球大小的種子可以在大約80 萬年內變成海王星。
其中一個較激進的影響是海王星是太陽系中最年長的公民，首先向外移動。 而且，與許多理論相反，木星和土星並不是在它們當前位置附近的任何地方形成的。
史蒂文森說：“總體思路與教科書上的內容相差甚遠。”
滾動的行星確實會帶來一些問題，例如如何阻止胚胎遷移到尼斯模型開始的點之外。 萊維森和他的同事正在努力解決這些問題並為這個想法開發一個完整的模擬，但他們承認他們還沒有找到所有的答案。 「我最終可能會錯，」萊維森說。
流浪木星
萊維森並不是唯一一個在主要場景中擺弄序幕的尼斯模型建築師。 法國蔚藍海岸天文台的行星科學家亞歷山德羅·莫比德利（Alessandro Morbidelli）幫助構建了這個模型，他認為，近乎成熟的木星在進入尼斯模型起始位置（3或4百萬）之前，向內進行了一點長途跋涉。
事實上，根據去年報告中的這個想法，木星一路側移到了火星現在的位置，距離太陽約 1.5 個天文單位。自然。 像木星這樣的大行星會從該位置的圓盤中清除物質，剩下的物質最終會形成火星。 這種大掃除可以解釋為什麼火星比研究人員預期的要小。
「這解釋了為什麼在類地行星中，地球和火星在質量方面存在巨大差異，」莫比德利談到這個他稱之為「大策略」的理論時說道。
大航向解釋的不僅是一個微小的火星。 木星的向內漫遊可能會將當時處於萌芽階段的小行星帶中破碎的碎片分散開來。 當木星回來時，它會重新組合岩石帶，並從更遠的地方拖入第二批物體。 產品？ 火星和木星之間的小行星帶，有兩種不同類型的太空岩石，這是今天觀察到的特徵，但尼斯模型無法解釋。
莫比德利的下一步是進一步倒帶，真正解決烹調一顆巨大行星的過程。 「大策略對行星的位置、它們形成的順序做出了一些假設，但我們不確定這些假設是否正確，」他說。 莫比德利還將幫助測試萊維森的翻滾行星想法，這可能透過與大航向不同的方法來解釋火星的小尺寸（SN 線上：10/4/10）。
行星靴
事實證明，主要部分的某些部分對尼斯模型來說也是一個挑戰。 隨著時間的推移，它的設計者發現了一個複雜的問題。 「我們遇到了與地球生存能力有關的障礙，」萊維森說。 “主要是它最終會撞擊金星。”
在太陽系的叛亂時期，當行星和小行星到處亂飛時，木星的引力與木星的引力發生了邪惡的相遇，導致地球傾斜到它的姐妹行星上——對於一個旨在解釋行星事務當前狀態的模型來說，這是一個不受歡迎的結果。
包括西南研究所的大衛·內斯沃爾尼在內的科學家提出，拯救地球的最佳方法是向木星惡霸提供一顆冰巨星——海王星或天王星。 一顆較大的行星與木星相互作用幾乎瞬間改變了木星的軌道，使其跳過了與地球的致命遭遇。
但當內斯沃爾尼模擬這種相互作用時，他發現木星和土星通常會驅逐冰巨星，留下三顆巨行星，而不是目前在外太陽系中發現的四顆。 因此，他在年輕的太陽系中添加了第五顆巨大行星——一顆與木星進入致命之舞的兄弟行星，刺激其自身噴射並擾亂木星和土星的軌道。
內斯沃爾尼在 12 月的報告中稱，模擬表明，這顆彈出的第五顆行星在土星和冰巨星之間短暫停留時，保留了今天觀察到的太陽系。天文物理學期刊通訊。 「我能夠匹配當前的太陽系，從五顆行星開始，比只從四顆行星開始的頻率高出 10 倍，」Nesvorny 說。 據他介紹，一個年輕的太陽係由五顆巨行星組成的可能性比只有四顆巨行星的可能性大得多。
「五行星系統似乎運作得更好，」博特克說。 “但是有沒有辦法讓我們找到確鑿的證據來告訴我們這一定是真的呢？”
巴特金也曾嘗試用他所謂的「犧牲山羊」來拯救地球，他認為這樣的發現不太可能，因為彈出的行星可能不會帶有可偵測到的特徵。 他的研究發表於天文物理學期刊通訊一月份，巴特金發現第五個巨人並不像內斯沃爾尼所報導的那樣有必要拯救地球。 在談到他的模型中需要第五個巨人來拯救地球的可能性時，巴特金說：“我認為是 50-50。”
科學家起始條件的各種差異——例如行星遊過的物質數量——可能會產生不同的結果。 巴特金認為，即使這個被遺棄者對於解決地球問題不是必要的，一個額外的巨人也能回答一些重要的問題。 「如果沒有近距離接觸，木星和土星的軌道很少會變成今天的樣子，」巴特金說。 「這第五顆行星的目的是為了養活大傢伙，這樣他們就可以把它扔掉并快樂起來。”
至於那個失落的星球，巴特金不知道它今天在哪裡：“我想說在一個很遠很遠的星系。”
外觀察
科學家們透過觀察其他恆星周圍的遙遠行星系統，發現了一些數據，這些數據可能有助於了解巨行星是如何形成的。 「太陽系外行星系統告訴我們，核心吸積的基本概念與我們的理解是一致的，」勞克林說。 天王星和海王星大小的天體也很常見，這表明它們一定很容易製造，並提供了關於外行星如何生長的重要線索。
最終，尼斯模型和科學家的其他想法甚至需要適用於地球最遙遠的鄰居。 任何試圖解釋行星是如何形成的故事都應該解釋在這裡和其他地方觀察到的大小和成分的範圍。 內斯沃爾尼說，「僅將所有這些模型與太陽系進行比較是危險的」。
觀察到的外星建築暗示了行星重組的普遍性，這表明兄弟姐妹之間的爭鬥並不難引發。 但地球上最近和最親愛的行星的結構仍然有些神秘。 到目前為止，「木星軌道上有一顆木星質量的行星並不是一個非常常見的結果，」勞克林說。 但他指出，“我們正處於能夠可靠地探測到其他恆星周圍真正的木星類似物的門檻。”
在更多的外星數據從天而降之前，還有其他方法可以為模擬建議提供具體支援。 萊維森的翻滾行星想法做出了一些可檢驗的預測。 一是關於行星核心的大小——美國宇航局的朱諾號太空船在2016 年抵達木星時可以幫助確定這一點。海王星和天王星的核心應該比木星的大。 雖然它不太可能很快起飛，但行星科學十年調查最近優先考慮的天王星任務將能夠證實這一預測。
儘管有一天可能會寫出烹飪外太陽系的完整食譜，但勞克林並不相信人類會真正知道太陽系年輕時發生了什麼事。 他說，這些模型包含相當多的事實，但最終它們只是模型。 儘管如此，「沒有任何替代方案可以做得更好，」他說。 “世界可能永遠不會知道。”
