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木星对我们的星球有多重要?

木星,一个常常被歌颂为伟大英雄的行星,它从宇宙入侵者们的手下保护了身在太阳系内部的我们。假如说木星不复存在,地球可能每20万年到30万年就会被长达千米的巨大石块撞击一次。

木星,一个常常被歌颂为伟大英雄的行星,它从宇宙入侵者们(比如小行星)的手下保护了身在太阳系内部的我们:假如说木星不复存在,地球可能每20万年到30万年就会被长达千米的巨大石块撞击一次。不过如果没有另外一颗行星的话,我们可能压根就不会存在,在我们歌颂木星的时候,常常会忘记这颗行星所做出的伟大贡献,就算它可能是全银河系最美的行星。


木星对我们的星球有多重要?


它就是土星,土星的质量“只有”地球质量的95倍,或者说只有木星质量的三分之一。但是正是因为在太阳系形成早期有土星的存在,才会有现在我们所知道的像水星,金星,地球,火星这些小型行星的存在。


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一个有趣的现象是,在其他以恒星为中心的行星系中,那些与地球相似的行星通常拥有巨大的体积和质量,我们一般称它们为“超级地球”,这些超级地球的质量可以达到地球的八十倍。那么问题来了,和那些“超级地球”比起来,为什么太阳系里的岩质行星(比如地球)会这么小?我们的太阳系里为什么没有形成类似的“超级地球”?随之而来的还有这样的问题:在其他的行星系,大型的行星往往位于星系的内部,但是为什么,在我们的太阳系里,这些大型的行星(土星和木星)是位于太阳系外围的呢?


木星对我们的星球有多重要?


为了回答这个问题,我们需要追溯到恒星最初形成的时候:恒星通常形成于气体由于自身重量产生的坍缩,但是气体只有在低温的条件下才会坍缩(这一点非常重要,因为如果气体处在高温状态,它们的压力就会很高,也就无法坍缩),当气体坍缩到一定程度之后,它们会坍缩得越来越快,它们的温度也会越来越高。在不断坍缩的过程中,它们所蕴含的能量将会以辐射的形式扩散,同时它们会变的越来越密集——这就是恒星形成的过程。


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包括太阳(中心)在内一系列恒星的赫罗图例子。

一颗恒星形成后,一定会有一些物质因为没有落入恒星中而存在于恒星周围。我们称之为尘埃和气体。一般情况下,我们几乎可以直接观察到由这些尘埃和气体构成的尘埃盘。在太阳系中,我们也几乎可以直接观察到我们“年轻”的恒星(形成于大约45亿年以前)周围存在的尘埃盘,而行星正是从尘埃盘中诞生的。离恒星越远的气体,温度会越低,所以它们可以进行坍缩,而那些离恒星比较近的气体由于温度较高,则不能进行坍缩,这意味着气态行星往往会在星系的外围,或者说离恒星距离更远的地方形成。随之而来的是另外的问题:为什么那些围绕着别的恒星转动的气态行星会处于星系的内部?它们是怎么去到星系内部的?


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透过阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列首次观察到位于金牛座HL的原行星盘

在这些气态行星形成于尘埃盘的过程中,它们会在尘埃盘中运动,这意味着它们会不断和尘埃盘中的物质摩擦,并在重力场中损失能量,然后向星系内部缓慢移动。所以它们不是径向地朝内部移动,而是在围绕恒星旋转的同时向星系内部移动,直到它们到达一个不再有任何物质与它们摩擦的边界。


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一个原行星盘的艺术想象图

现在,木星与太阳的距离是地球与太阳距离的五倍,土星离得还要远一些。为什么太阳系的内部只有这些小型的岩质行星?为什么太阳系里的气态行星不是和其他行星系的气态行星一样处在行星系的内部?造成这样的现象的决定性因素是什么呢?

在太阳系形成最初的五百万年,由于与尘埃盘的摩擦,木星在形成后就开始慢慢地向星系内部移动,同时,由于不断将自己周围的气体拖入,木星在尘埃盘内“挖出”了一条缝隙。这些来自外界的气体比木星内部的气体拥有更快的速度。木星会加速自身内部的气体,这会让木星损失动力,并让它向星系内移动;但同时,来自外部的气体会让木星重新加速,并让木星朝星系外移动。分别来自内外部的阻力和动力会达到一种平衡,并决定木星的运动方向:假如说木星加速内部气体损失的动力更多,木星就会朝星系内部运动;而如果被外界气体加速获得的动力更多,木星就会朝星系外移动。在移动的初期,行星往往会因为损失大量的能量而向内移动,木星也是如此。与此同时,土星也在尘埃盘中开始形成,并与木星一样:吸收周围的气体,向内移动,在尘埃盘中“挖出”一条缝隙。木星与土星距离相当远,以至于当木星围绕太阳公转三圈的时间内,土星只围绕太阳公转了两圈。但当它们开始对对方产生影响之后,它们便成为了不可分割的共同体。

至始至终都不断有气体和尘埃在木星和土星的表面流动,通过不断吸收这些物质,木星和土星变得越来越大,在某个时刻,它们创造的缝隙开始重合。它们在尘埃盘中一起创造了一个巨大的缝隙,然后事情开始变得不一样了:太阳系外围的物质开始朝内部跌落,这让一直向内运动的木星重新加速,并让它们开始向太阳系的外部运动。木星一共穿过小行星带(这个小行星带位于现在木星轨道和火星轨道的中间)两次,这让小行星带变得混乱,有些存在于太阳系早期的小行星甚至从外部被抛向了内部,它们撞上了即将在一亿年后形成的地球,并且给地球带来了水。


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尴尬的是,假如土星没有成为木星的“驯兽师”,木星只会不断地的向太阳系内部行进,在这个过程中,它会耗尽尘埃盘内所有的物质,而不是给接下来一亿年内会形成的小型行星们留下足够的“材料”。土星在外侧捕获了木星的轨道并且拉着木星重新朝太阳系外侧移动,可以说,正是它们的这种共同移动,才创造出了太阳系无与伦比的美丽。

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