大多数科学家在演讲时不戴防护头盔。不过，大多数科学家也不是拿着糕点的同事攻击的对象。
但去年十月，当天文学家哈尔·莱维森 (Hal Levison) 提出一种他称之为“略微激进”的太阳系巨行星构建机制时，他已经做好了准备。
“我真的有点害怕大家对此的反应，”莱维森说，他伸手到讲台后面，拿出一个棒球接球手的面具，他在法国的一次行星科学会议上做演讲时戴着这个面具。
这是件好事，因为观众席中至少有一位科学家感到很有趣，他善意地抛出了法式糕点。
科罗拉多州博尔德西南研究所的莱维森提出，巨行星——木星、土星、天王星和海王星——开始形成于地球目前绕太阳公转的距离附近。他说，行星核心一个接一个地生长并向外喷射，体积不断增大，就像滚雪球积聚物质一样。标准观点认为，恒星形成初期的环境要平静得多，外行星在太阳系诞生后不久（大约 45 亿年前）同时开始成长。
莱维森的设想是最近提出的几个方案之一，旨在弥补外太阳系过去的一些空白。其中一些方案补充了一个被广泛接受的理论，该理论描述了太阳系形成时期的很大一部分。其他想法试图解决该理论中一些明显的缺陷，称为尼斯模型。
尼斯故事以法国城市命名，研究人员正是在这座城市将这颗行星拼凑在一起。故事开始于四颗巨行星完全长大并更紧密地结合在一起之后。早期章节包括巨行星兄弟姐妹之间几百万年的相互推挤和撞击。故事的中间部分以一段极端动荡的时期为主，最终导致太阳系发生灾难性的重组——这种不和谐在太阳系诞生十亿周年时得到解决，巨行星进入了如今的轨道。
虽然这个故事解释了许多关于太阳系的观察结果，但它并没有回答所有的问题，比如故事开始前发生了什么，类地行星是如何幸存下来的，以及火星为什么这么小。最近的提议，包括莱维森的翻滚行星想法和另一位尼斯建筑师的第二个提议，就像一个序幕，发生在太阳系诞生后大约 500 万年，远在尼斯模型开始之前。另一个调整试图通过引入第五颗巨行星——一颗失散已久的兄弟，现在在星际空间中游荡——来保护地球免受模型中期动荡的影响。
一个美好的故事
太阳系早期的重建可能得益于对系外行星系统的观测、小行星和其他小天体中所含的证据以及未来对巨行星的航天器访问。但大多数研究都是利用物理定律来模拟行星轨道的演变，并给定各种起始条件，来探究这一早期时期。“天文学这一分支的一个优点是物理学是可以理解的，”加州大学圣克鲁兹分校研究行星系统形成和演化的天文学家格雷格·劳克林 (Greg Laughlin) 说。“这些家伙都只是相互拉动，并与牛顿引力相互作用。”
当最常见的结果与当前的行星结构相符时，科学家倾向于接受早期太阳系的模拟情景。尼斯模型（由莱维森和他的同事于 2005 年首次报告）在这方面做得很好。它以四颗巨行星为起点，它们处于紧凑的结构中，距离地球当前轨道距离（称为天文单位）的 5.45 倍和地球轨道距离的 17 倍之间。
几百万年后，木星和土星的轨道演变成一种结构，颠覆了年轻太阳系，将小天体抛向内部，将天王星和海王星分散到它们目前的距离。“事情开始变得一团糟，”加州理工学院的研究生康斯坦丁·巴蒂金说，他的研究基于尼斯模型。
海王星最终位于现在的位置，距离太阳系 30 个天文单位。被抛向太阳系内部的物质解释了所谓的后期重轰炸期，这一时期主要由彗星和小行星飞行组成，并记录在月球等天体上的陨石坑中（SN：2/14/09，第 26 页）。
直到太阳系存在了大约 9 亿年之后，其中的居民才定居在目前的位置。该模型最终以行星实现这种稳定配置而告终。
尼斯模型还解释了在木星和海王星附近运行的特洛伊小行星、在不规则轨道上运行的大量外太阳系卫星以及位于海王星轨道之外的一圈小型冰冻天体——冰冷的柯伊伯带。
“这是目前唯一的选择，”西南研究院的行星科学家比尔·博特克说。“没有任何竞争模型能够做到这一点。”
翻滚的行星
但尼斯模型并没有解决一个关键问题：如何构建行星胚胎，即形成行星核心的固体种子。莱维森谈到该模型的出发点时说，研究人员只是把完成的行星扔进去。“每个人都这样做，他们都说这显然是错误的，”他说。“当你试图做正确的事情时会发生什么？”
要想做好这件事，也就是试图捕捉整个画面，就需要从被称为行星的起始成分开始。这些小行星大小的物质块漂浮在原行星盘内，相互碰撞，偶尔会形成更大的块。当这些块长成 10 个地球质量的胚胎时，它们开始从行星盘中夺取气体，最终通过所谓的“核心吸积”过程产生巨行星。
大多数科学家认为，巨行星的“烹饪”就是从内向外开始的。但有些人说，在不到 500 万年的时间里（已知气体盘消失之前）培育出一颗巨行星是有问题的。
加州理工学院的行星科学家戴维·史蒂文森 (David Stevenson) 表示，在尼斯模型所适用的木星所在位置的圆盘厚度处开始发育的种子，可以相对较快地成为一颗巨行星，只需 300 万年。不过，在天王星和海王星所在的圆盘外部较冷的部分，这个过程将需要更长的时间。“你没有时间了，”史蒂文森说。
莱维森的翻滚行星理论可以解决这个时间尺度问题，并在尼斯模型开始之前让行星到达它们需要的位置。他说，行星胚胎在距离太阳一个天文单位处形成，并穿过行星盘向外移动，“生长得非常迅速”，并指出，在他仍处于初步阶段的计算中，一颗月球大小的种子可以在大约 80 万年后变成海王星。
更为激进的推论是，海王星是太阳系中最年长的公民，最先向外移动。而且，与许多理论相反，木星和土星并非在其当前位置附近形成。
史蒂文森说：“其总体思路与教科书上讲的确实有很大不同。”
行星转动确实会带来一些问题，比如如何阻止胚胎迁移到 Nice 模型开始运行的点之外。Levison 和他的同事正在努力解决这些问题，并为这个想法开发一个完整的模拟，但他们承认他们还没有找到所有答案。“我可能最终会错，”Levison 说。
流浪的木星
莱维森并不是唯一一位在为主要内容画上序幕的尼斯模型建筑师。参与建造该模型的法国蔚蓝海岸天文台的行星科学家亚历山德罗·莫比德利认为，接近成熟的木星在进入尼斯模型的起始位置之前曾向内移动了一小段距离，此时距太阳系的形成已经过去了 300 万到 400 万年。
事实上，根据去年发表在《自然》杂志上的这一理论，木星曾悄悄靠近火星现在的位置，距离太阳约 1.5 个天文单位。自然。像木星这样的大行星会从该位置的圆盘上扫除物质，剩余物质最终形成火星。这样的清理工作可以解释为什么火星比研究人员预期的要小。
莫比德利在谈到这一被他称为“大迁徙”的理论时说道：“它解释了为什么在类地行星中，地球和火星的质量差异如此之大。”
大迁徙不仅仅解释了火星的微小特征。木星向内移动时，会将当时处于胚胎状态的小行星带中的碎块散落一地。当它向外移动时，木星会重新组合岩石带，并从更远的地方拖拽出第二群物体。结果呢？火星和木星之间的小行星带有两种不同类型的太空岩石，这是今天观察到的特征，但尼斯模型无法解释。
莫比德利的下一步是将磁带倒回更远的地方，真正解决巨行星的“烹饪”过程。“大迁徙”对行星的位置、它们形成的顺序做出了一些假设，我们不确定这些假设是否正确，”他说。莫比德利还将帮助测试莱维森的“翻滚行星”理论，该理论可能通过与大迁徙不同的方法解释火星的体积小（SN 在线：10/4/10）。
星球启动
主幕的某些部分也对尼斯模型构成了挑战。随着时间的推移，它的设计者发现了一个复杂之处。“我们遇到了与地球生存能力有关的障碍，”莱维森说。“它最终主要撞击金星。”
在太阳系叛乱时期，行星和小行星四处飞行，与木星引力发生邪恶碰撞，导致地球撞向其姊妹行星——这对于旨在解释当前行星状况的模型来说是一个不良结果。
包括西南研究所的戴维·内斯沃尼在内的科学家提出，拯救地球的最佳方法是将一颗冰巨星——海王星或天王星——交给这颗木星恶霸。一颗更大的行星与木星相互作用几乎会立即改变木星的轨道，使其避开与地球的致命碰撞。
但当 Nesvorny 模拟这种相互作用时，他发现木星和土星通常会驱逐冰巨星，留下三颗巨行星，而不是目前在外太阳系中发现的四颗。因此，他在年轻的太阳系中加入了第五颗巨行星——这颗行星与木星展开了一场致命的舞蹈，促使它自己被抛射出去，并扰乱木星和土星的轨道。
模拟结果表明，当这颗被弹射出来的第五颗行星短暂地位于土星和冰巨星之间时，它将保留今天观测到的太阳系，Nesvorny 在 2016 年 12 月报告称。天体物理学杂志快报. “我能够匹配当前的太阳系，从五颗行星开始，频率比从四颗行星开始高出 10 倍，”Nesvorny 说。据他介绍，一个由五颗巨行星组成的年轻太阳系比只有四颗行星的太阳系更有可能。
“五行星系统似乎运行得更好，”Bottke 说。“但我们有没有办法找到确凿的证据来证明这一定是真的？”
巴蒂金也曾尝试用他所谓的“祭祀山羊”来拯救地球，他认为这样的发现不太可能，因为被弹射出来的行星可能不会带有可探测的信号。他在发表于天体物理学杂志快报今年 1 月，Batygin 发现第五个巨行星对拯救地球来说并不像 Nesvorny 报告的那样必要。Batygin 表示，“我认为在他的模型中，需要第五个巨行星来拯救地球的可能性是 50%。”
科学家们的起始条件存在各种差异——例如行星所经过的物质数量——可能会产生不同的结果。即使这颗被抛弃的行星对于解决地球问题来说不是必要的，巴蒂金认为，一颗额外的巨行星会解答一些重要的问题。“如果没有近距离接触，木星和土星的轨道很少会像今天这样，”巴蒂金说。“这第五颗行星的存在是为了给大家伙提供食物，这样他们就可以把它扔出去，高高兴兴地生活。”
至于那颗失落的星球，巴蒂金不知道它现在在哪里：“我想说是在一个遥远、遥远的星系里。”
外层空间观测
科学家们正在观察围绕其他恒星的遥远行星系统，他们获得的数据或许可以填补巨行星形成过程的空白。“太阳系外行星系统告诉我们，核心吸积的基本概念与我们的理解一致，”劳克林说。天王星和海王星大小的天体也被发现很常见，这表明它们一定很容易形成，并为外行星的形成提供了重要线索。
最终，尼斯模型和科学家的其他想法需要适用于地球最遥远的邻居。任何试图解释行星如何形成的故事都应该解释在这里和其他地方观察到的大小和成分范围。“将所有这些模型仅与太阳系进行比较是危险的，”Nesvorny 说。
观测到的行星结构暗示行星重组无处不在，表明行星之间的争斗并不难引发。但地球最近行星的行星结构仍然有些神秘。到目前为止，“在木星轨道上出现一颗木星质量的行星并不是很常见的结果，”劳克林说。但他指出，“我们即将能够可靠地探测到其他恒星周围真正的木星类似物。”
在更多外星数据从天空传来之前，还有其他方法可以为模拟结果提供切实的支持。莱维森的翻滚行星理论做出了一些可验证的预测。其中一个是关于行星核心的大小——NASA 的朱诺号太空飞船将于 2016 年抵达木星，届时它可以帮助确定这一点。此外，莱维森预测，行星核心的尺寸将随着与太阳距离的增加而增大：海王星和天王星的核心应该比木星的大。虽然它不太可能在短期内起飞，但行星科学十年调查最近优先考虑的天王星任务将能够证实这一预测。
尽管将来有一天，外太阳系的完整演化配方可能会被写出来，但劳克林并不相信人类会真正知道太阳系早期发生了什么。他说，这些模型包含相当多的真相，但归根结底，它们只是模型。不过，“没有其他方法能做得更好，”他说。“世界可能永远不会知道。”
