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分类:科学知识

地月系统巨大引力让其轨道逐渐倾斜

尽管季节对我们的生活可能很重要,但当考虑到塑造整个行星的力量时,人们往往只把季节看作是四舍五入的误差。再加上目前很难测量系外行星的倾斜度,这使得大多数天文学家在模拟行星系统的演化时,基本上忽略了行星倾角。然而,在耶鲁大学萨拉 · 米尔霍兰德 ( Sarah Millholland ) 和格雷格 · 劳克林 ( Greg Laughlin ) 的研究中,他们揭示了倾斜驱动的潮汐也可以产生巨大的影响。米尔霍兰德说:" 巨大的倾斜角会造成更强的潮汐,而潮汐会使行星运动。"

研究表明,在地球形成数千万年以后,地月系统通过引力作用达到了月球轨道“被激发”的理想状态,也就是说通过和几个行星体携带的少量质量的相互作用,月球轨道逐渐倾斜成了现在的样子。

标准形成理论认为,当行星诞生时,它们的赤道指向他们恒星,两极指向环绕它们的尘埃盘之外。在它们的一生中,与其他天体的交互活动可以改变他们的倾斜角,使他们轻微或极大地倾斜。目前地球的倾斜度为 23.5 度,这被认为是受月球的影响造成的。相比之下,天王星的倾斜度为 97.9 度,它的两极与太阳在同一平面上——想必是很久以前的一次震撼世界的撞击所造成的后果。

为了解决这一问题,法国尼斯天文台的天文学家卡威·鲍莱文和阿勒山卓·摩比德里进行了一系列模拟,以了解地月系统在月球形成初期的物理限制。通过一系列计算,他们认为或许地月系统的引力才是导致月球出现不同寻常倾角的真正原因。

在开普勒望远镜任务之前,天文学家只知道少数系外行星系统,其中大多数系统只包含一个已知的世界。基于对我们太阳系的研究,他们希望这些行星中有许多能产生共振,在这种共振中,行星之间的引力相互作用确保了它们的轨道周期比例为简单小整数。例如,一颗外行星与一颗内行星 ( 内外是相对它们的主恒星而言 ) 产生轨道共振时,外行星每当内行星绕主恒星两圈才会绕主恒星转一圈,形成所谓的 2:1 共振。结果就是这两个行星会形成一个非常稳定的结构,它们每次都在轨道上的同一位置经过对方。人们认为,在行星的生命早期,在它们还在新生恒星的尘埃盘中相互挤压时,这样的共振就已经出现了。

研究人员认为,这一机制排除了以前提出的被预设的“被激发”状态,同时也给地月系统的历史提供了新的见解。

摇摆的盘子,旋转的陀螺

此前的研究认为这与月球的起源相关,是月球形成早期与太阳系内部的小行星碰撞所产生的相互作用导致的。但科学家们通过计算发现,这个撞击过程的模型预测出月亮的倾斜角应该只有0.5度左右,和如今月球的倾角相差十倍,完全对不上号。于是上述解释的真实性也被画上问号。

事实证明,开普勒特别擅长探测多行星系统。在多行星系统中,各个行星轨道紧密地围绕运行,以共振结构紧密地排列在一起。但当开普勒的第一批行星数据于 2010 年发布时,天文学家们很快意识到出了问题。成对的行星被证明是很常见的,但大多数都非常轻微地不同步——仅仅是共振范围的宽度,彼此之间的经过速度比预期的稍慢或稍快了一点。似乎是某种未知的力量把这两颗配对的行星分开了。" 这是一个令人兴奋的结果," 杨百翰大学 ( Brigham Young University ) 天文学家达林 · 拉戈津 ( Darin Ragozzine ) 说。

法国天文学家日前提出一种新的理论称,导致月球轨道平面倾斜的原因,可能主要是地月系统的引力作用,而非此前人们所认为的行星碰撞。这一理论为困扰人们已经很久了的“月球倾斜”问题提供了一种更为合理的解释。相关研究成果发表在本周出版的《自然》杂志上。

劳克林对这种难以把握的关系有一个首选演示,那就是一个简单的木制陀螺在餐盘上旋转,在这个餐盘上,陀螺充当行星的角色,餐盘作为它的轨道。通过以正确的速度前后摆动盘子,你可以使陀螺在本应停止转动很长一段时间后仍然保持旋转。当盘子的摆动和陀螺的旋转以相同的速度发生时,它们两者之间就会发生联系,因此盘子运动的变化会影响陀螺。米尔霍兰德说:" 这是一个非常确切的类比,这非常接近行星在自转和轨道上的变化。"

科学家们很早之前就发现,相对于太阳系中其他行星的卫星一般不超过1度的倾角,月球轨道平面的倾角似乎过大了一些,达到了5度多。这个现象被称为“月球倾斜问题”。

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虽然拉戈津和汉密尔顿都对结果持乐观态度,但 Fabrycky 并不完全确定这些新发现能否解释开普勒发现的所有奇怪排列的行星。他表示:" 我不完全相信它能解释一切,但他们已经证明了它是一种重要的机制。" 劳克林指出,这个理论并不意味着就要解释每一颗轨道偏离中心的行星。毕竟,有些行星最终会随机进入这样的轨道。相反,他说这个理论是为了解释开普勒发现的数量过多的行星。就其本身而言,它不允许研究人员指着一颗行星,说它的轨道是否来自随机事件,或者它的倾斜是否把它推到了一边。再想想天王星及其偏离平衡的自旋,那很可能是由于行星撞击的偶然结果,而不是天体力学的微妙必然性。

天文学家们几乎立刻扑向了这个谜题。拉戈津并没有参与这项新研究,但据他说,科学家们怀疑行星在受到干扰之前就已经形成了共振。对这些干扰的假设原因包括小行星对行星的推力、尘埃盘气体消散时产生的压力以及恒星引力引起的潮汐,但这些似乎都不正确——至少在米尔霍兰德和劳克林把目光转向倾斜角之前是这样。

改变行星向其主恒星倾斜的角度有几个重要的行星效应。恒星的潮汐引力足以在附近的行星周围产生一个凸起,而开普勒发现的行星距离这些效应都足够近。行星内部物质的运动产生热量,使行星内部变暖,并可能为火山爆发和其他地质现象提供动力。这就是发生在木卫一身上的事情,木卫一是木星的卫星。虽然它没有很高的倾角,但由于木星的引力,它的椭圆型轨道按摩着木卫一的内部。结果是这个微小的卫星是太阳系中火山活动最活跃的天体。这并不意味着大多数倾斜的行星看起来像木卫一,但劳克林说:" 这是很容易发生的事情。"

对于行星来说,倾斜驱动的轨道转移发生在它们生命的早期。在大约 1000 万年的时间里,它们尘埃盘中的气体消失了,这些气体被不断增长的巨大行星吞噬,或者被恒星风吹走。由于几乎没有剩余的气体可以推动,行星停止漂移,进入稳定的轨道 ; 这种稳定可以减缓行星的自转轴进动,延长进动完成一次公转所需的时间。最后,这种减缓会迫使行星变得越来越倾斜。

米尔霍兰德和劳克林仍然保持乐观。劳克林说:" 我们认为这解释了过去几年困扰行星科学家的谜团。"

这种变化是有代价。汉密尔顿说:" 如果你使行星倾斜,实际上会增强潮汐的力量。" 然后这些潮汐会以非常缓慢的速度将行星推离轨道,最终导致一系列行星的轨道发生了微小的偏移,与邻近行星的轨道完全不协调——也就是说,与开普勒望远镜的数据中首次发现的令人困惑的脱节现象相同。" 这是一个非常有趣和聪明的解决方案,这有可能会成为主导因素," 拉戈津说。 ( 至少对系外行星来说是主导因素,米尔霍兰德和劳克林的提议并不适用于我们自己太阳系的轨道共振例子,太阳系中有丰富的卫星系统,这些卫星仍然被它们所在行星的潮汐效应锁定在它们的位置上。 )

只要每个变化跨越不同的时间,它们就保持分离,不会相互影响。但是米尔霍兰德和劳克林发现,如果椭圆轨道移动所需的时间等于自转轴进动的单个绕行轨道的持续时间,那么两者就会产生强大的协同作用。劳克林说:" 当这两者平等时,它们就会被锁在一起。你改变其中一个,另一个就会相对应和谐地改变。"

在地球上,只有很少一部分人熟悉行星倾角的概念,但我们都能感受到它的影响:倾角测量的是行星相对于其恒星的轨道倾角,而这个倾角正是造成地球四季变化的原因。现在,天文学家们提出,这个倾角的变化可以解答更多的谜题。

行星的倾斜角也会影响系外行星的天气模式。这项研究认为开普勒望远镜之前发现的大多数系外行星都是 " 潮汐锁定 " 的,即其中一个半球永久地面对着行星的主恒星,形成了永久的白天和黑夜。而把一颗行星倾斜一下,会使它从这种负担中解脱出来,但可能会深刻地改变盛行风,在某些情况下,还会造成极其漫长的白天和黑夜,每个白天和黑夜会持续一个行星年的一半时间。美国宇航局即将推出的詹姆斯 · 韦伯太空望远镜将允许天文学家研究昼夜之间的这种差异,或许还能梳理出这些行星的倾斜度。米尔霍兰德说:" 我们可以看到一颗行星在整个轨道上的热发射,以及在白天和黑夜之间的差异。那可能就是倾斜的迹象。"

我们太阳的行星并不遵循这些模式,但它们的许多卫星却属于这种模式。几个气态巨行星的卫星以这样的共振结合在一起。马里兰大学帕克分校的道格拉斯 · 汉密尔顿 ( Douglas Hamilton ) 没有参与这项新研究,但他说:" 这种情况发生的频率远远超过纯粹偶然的预期频率。"

无论其根本原因是什么,行星的倾斜度在行星旋转过程中会发生进一步的变化,就像陀螺的振动一样。在大约 4 万年的时间里,地球的倾角在 22.1 到 24.5 度之间变化。同时,地球的磁极本身也不停留在同一地方 ; 在一个大约 26000 年的周期中,它也会像一个陀螺的底部穿过一个盘子一样轻微的摆动,这个周期被称为自旋轴进动。所有这些都发生在行星绕恒星公转的时候,并且这个椭圆公转轨道本身也在保持同样的距离轻微移动,但围绕恒星旋转的速度非常慢。

米尔霍兰德和劳克林的努力可能是解开开普勒之谜的第一步,但不太可能是最后一步。芝加哥大学的天文学家 Daniel Fabrycky 没有参与这项研究,但他说:" 人们忽视了倾角,因为他们对观测到它感到绝望。" 他相信,这项新研究将促使更多的天文学家重新审视倾斜行星的影响,而这反过来又可能揭示出更多尚未解释清楚的复杂性。

倾斜的世界

配对的行星

根据发表在《自然天文学》 ( Nature Astronomy ) 杂志上的一项新研究,当一颗行星的自转和轨道刚好对齐时,它们能够让行星倾斜得足够迫使它离恒星更远或更近。这一发现可能有助于解释一个潜藏在数千个行星中近十年之久的谜团 ( 这些行星均由美国宇航局 NASA 开普勒太空望远镜发现 ) 。

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