如果太阳系获得了一个超级地球会发生什么？

原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀这项研究中的这个数字显示了凯恩是如何进行模拟的。外面的黑色圆圈是木星的轨道，红色圆圈覆盖了他放置超级地球的范围。资料来源：凯恩，2023

在这个发现系外行星的时代，天文学家已经发现了5000多颗已确认的系外行星，还有数千颗等待确认，还有数十亿颗等待被发现。这些系外行星存在于令人眼花缭乱的大小、成分、轨道周期以及几乎所有可以测量的其他特征中。

了解它们也揭示了我们的太阳系。我们曾经认为我们是行星的原型排列，但现在我们知道我们可能是异常值，因为超级地球很普遍而我们很少见。

超级地球是一类在其他恒星周围常见的行星。它们仅由质量来定义，在2到10个地球质量之间。尽管行星猎人已经发现了1500多个，但我们的太阳系却没有。由于我们的太阳系缺乏这些代表性类型之一，行星科学家很难理解其他系统中的超级地球。

我们太阳系的结构与天文学家在其他恒星周围看到的也有很大不同。像开普勒-11这样的系统在靠近恒星的长期稳定轨道上的紧凑系统中有多个行星。如此紧密的行星之间的相互作用应该会导致轨道不稳定，但开普勒-11的行星有可能稳定数十亿年。系统中最小的行星开普勒-11 f的质量仍然是地球的2.5倍。

其他系统如HD 20782具有极端轨道离心率的行星。HD 20782 b拥有已知最偏心的轨道之一。它的偏心率为0.97，非常高，因为偏心率为1.00是逃逸轨道。（相比之下，地球的偏心率为0.016，其中0是圆形轨道。因此，HD 20782 b在其585天的轨道上从内太阳系行进到外系时经历了剧烈的温度波动。

一位经验丰富的行星研究人员想知道，如果我们的太阳系真的有一个超级地球会发生什么。它将如何改变我们的太阳系？超级地球会让我们的太阳系与我们在银河系中看到的其他一些系统更一致吗？我们的太阳系甚至可以被识别吗？

论文中的这张图显示了当一颗七地球质量的行星在2.00 AU处插入时，内行星的离心率是如何演变的。所有的内行星都变得高度偏心，并在107年的模拟完成之前从太阳系中弹出。资料来源：凯恩，2023

为了找到答案，他在模拟我们的太阳系中创建了一个模拟的超级地球。

他的名字叫斯蒂芬·凯恩，是加州大学的行星天体物理学教授。这篇论文是“太阳系中超级地球的动力学后果”，凯恩是唯一的作者。该论文尚未经过同行评审。

在他的论文中，凯恩指出了我们太阳系的行星大小/质量差距以及它对研究人员的意义。如果没有一个介于地球和海王星质量之间的超级地球，将我们的系统置于上下文中是具有挑战性的。很难模拟这些行星是如何形成的以及它们的组成可能是什么。

我们的系统没有超级地球可能有多种原因。木星和土星的早期迁移可能通过吞噬可能吸积到地球或火星上的质量并将它们变成超级地球而发挥了作用。

没有我们自己的超级地球可以研究，研究人员留下了很多问题。“即便如此，”凯恩写道，“研究太阳系内额外行星质量的动力学后果也是有用的，以限制当前的形成理论并研究对一般行星系统结构的影响。

详细的计算机模型和模拟是天文学的重要组成部分，随着时间的推移，它们变得越来越详细和强大。研究人员改变输入，以了解太阳系和行星在不同条件下的形成和行为。在这项工作中，凯恩在我们的太阳系中放置了一个超级地球，看看会发生什么。

当一颗8地球质量的行星被放置在3.7天文单位的距离时，可怜的水星很快就会被弹出。金星和地球开始以低频振荡，火星开始以高频振荡。资料来源：凯恩，2023

“在本文中，我们提供了一项动态研究的结果，该研究将一颗额外的类地行星放置在当前太阳系架构中质量范围为1至10个地球质量和半长轴范围2-4 AU，”凯恩写道。

凯恩以1个地球质量的步长添加了质量在1到10个地球质量之间的行星。他将这颗行星放置在圆形轨道的不同起始位置。轨道与地球的轨道是共面的，半长轴的范围从2到4天文单位（AU），步长为0.01 AU。

“这导致了数千次模拟，其中每个模拟被允许运行107年，从当前时代开始，每100个模拟年输出一次轨道配置，”凯恩解释说。

模拟表明，内行星比外行星更容易受到超级地球增加的不稳定影响。“2-4 AU的广阔区域包含许多与内行星的MMR（平均运动共振）位置，这进一步放大了内太阳系的混乱演化，”该论文指出。

“混沌进化”是轻描淡写的。超级地球的加入改变了行星之间的关系，也改变了内太阳系的整个结构。“对于这个例子，所有四颗内行星的轨道都变得足够不稳定，以至于在107年的模拟结束之前，它们被从系统中移除。

可怜的火星在被弹出之前只完成了模拟的一半。在与金星和地球的相互作用之前，水星只完成了三分之一的模拟，它们不断增加的偏心率将角动量传递到水星的轨道上，将其赶走。

在另一次模拟中，凯恩在3.7天文单位的距离处放置了一个具有八个地球质量的超级地球。这导致地球和金星的离心率最初略有增加，然后，再加上木星的影响，使水星的轨道受到如此大的干扰，以至于它再次被迅速抛出。水星的灾难性移除随后通过将角动量注入地球和金星的轨道而改变了它们。“这导致它们的轨道出现实质性的周期性演变，它们的偏心率有高频和低频变化，”凯恩写道。

在这种情况下，火星的轨道相对不受影响，尽管它的偏心率“由于与外行星的相互作用而经历了高频率振荡”。

在这个模拟中，一个7地球质量的超级地球在3.79天文单位，超级地球被弹出，这会影响土星，天王星和海王星的离心率。资料来源：凯恩，2023

外太阳系也发生了变化，尽管没有那么严重。当模拟将一颗具有七个地球质量的行星放置在3.79 AU时，起初并没有发生太多事情。但最终，发生了巨大的变化。超级地球的轨道发生了变化，其半长轴达到30天文单位。大约400万年后，超级地球被从系统中弹出。它的弹射传递了角动量，这“对土星、天王星和海王星的离心率产生了实质性影响，”凯恩解释说。

在另一个模拟中，注入的超级地球也有七个地球质量，AU仅略有变化，从3.79变为3.8。超级地球再次被弹出，木星和土星经历了增加的偏心率。微小的变化也引发了天王星的丧失。

凯恩进行了数千次模拟，根据参数，一些内行星被弹出，植入的超级地球也是如此。在其他建筑中，冰冷的巨人也被弹出。但弹射只是一种结果，尽管是最极端的。

模拟表明，超级地球的存在可以使其他行星的轨道更加偏心。这可能会对行星的气候造成严重破坏，因为温度会根据行星在其偏心轨道上的位置而剧烈波动。“这些相互作用导致金星和地球轨道离心率的大振幅振荡，产生米兰科维奇周期，可能会影响这些行星的长期气候，”凯恩总结道。

那里有许多超级地球，它们的存在对其他系统的可居住性有多强烈的影响是一个悬而未决的问题。如果这项研究有任何迹象，这是一个需要研究的问题。“行星气候对与超级地球的轨道相互作用的依赖将需要进一步的大气数据和建模，以确定这种行星的存在（或缺乏）是否可以优先导致偏心率驱动的气候效应，”作者解释说。

在过去的几十年里，天文学家利用我们太阳系的结构来开发太阳系形成和结构的模型。但现在我们知道，我们的太阳系并不能代表外面的东西，尤其是当涉及到超级地球时。这种差异可能源于巨型行星的迁移方式。“特别是，这些巨大的行星迁移事件可能影响了内太阳系的类地行星形成过程，并截断了迄今为止发现的最常见的行星类型：超级地球的形成，”该论文指出。

将超级地球的AU从3.79更改为3.8，将天王星与超级地球本身一起从太阳系中弹出。资料来源：凯恩，2023

大粘性假说显示了木星如何在3.5 AU处形成，向内迁移到1.5 AU，然后回到5.2 AU。像这样穿越太阳系的行星之王会影响它周围的一切。它可能在内太阳系的物体之间产生碰撞级联，将物质驱动到太阳中，从而形成一个超级地球。一些研究人员认为，我们的系统在遥远的过去确实有一个在阳光下灭亡的超级地球。

凯恩称我们缺乏超级地球是一把双刃剑。一方面，我们没有机会像研究类地行星、气态巨行星或冰巨行星那样仔细研究超级地球。但是超级地球的存在可能完全改变了太阳系，并且可能对生命造成灾难性的影响。

“我们的研究结果揭示了我们现有行星配置的动态脆弱性，允许在行星系统架构的更广泛背景下更详细地检查这种配置，”凯恩写道。这项工作的主要目的是将我们自己的“古怪”系统与大量包含超级地球的太阳系进行比较。

“从个体和统计的角度来看，对这些系统的轨道研究将证明与超级地球行星共享动力空间的真正后果，”他总结道。

该研究发表在arXiv预印本服务器上。

原标题：《『如果太阳系获得了一个超级地球会发生什么？》

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