这项研究还对地球这样的类地行星是如何形成的，以及在500亿英里外潜伏着第五颗气态巨行星的可能性产生了影响。

“我们的太阳系并不总是像今天这样。在它的历史上，行星的轨道发生了根本性的变化，”雅各布森说，他是自然科学学院地球与环境科学系的助理教授。“但我们可以弄清楚发生了什么。”

这项研究发表在该杂志上自然于4月27日发表的一篇论文，为其他太阳系和我们的太阳系中的气体巨星所发生的事情提供了一个解释。

这是一个很好的模型

恒星诞生于巨大的、旋转的宇宙气体和尘埃云。一旦我们的太阳被点燃，早期的太阳系仍然充满了原始的气体盘，这些气体盘在行星的形成和演化中起着不可或缺的作用，包括气态巨行星。

在20世纪后期，科学家们开始相信，气态巨行星最初是在整齐、紧凑、均匀间隔的轨道上围绕太阳运行的。然而，木星、土星和其他行星的轨道很早就固定在相对椭圆形、倾斜和分散的轨道上。

所以现在研究人员的问题是，为什么?

2005年，一个国际科学家团队在《自然》杂志的三篇具有里程碑意义的论文中提出了这个问题的答案。该解决方案最初是在法国尼斯开发的，被称为尼斯模型。它假设这些行星之间存在不稳定性，一组混乱的引力相互作用最终使它们走上了现在的轨道。

雅各布森说:“这是人们对早期太阳系看法的一次结构性转变。”

尼斯模型仍然是一个主要的解释，但在过去的17年里，科学家们发现了新的问题，即是什么触发了尼斯模型的不稳定性。

例如，人们最初认为，气态巨行星的不稳定发生在诞生太阳系的原始气体盘消散后的数亿年。但较新的证据，包括在阿波罗任务带回的月球岩石中发现的一些证据，表明它发生得更快。这也提出了关于地球所在的太阳系内部是如何进化的新问题。

雅各布森与中国浙江大学的刘蓓蓓(Beibei Liu)和法国波尔多大学的肖恩·雷蒙德(Sean Raymond)合作，帮助找到了与不稳定如何开始有关的解决办法。该小组提出了一个新的触发点。

雅各布森说:“我认为我们的新想法可以真正缓解该领域的许多紧张局势，因为我们提出的是一个非常自然的答案，即巨型行星何时发生不稳定。”

新的触发器

这个想法始于雷蒙德和雅各布森在2019年的一次谈话。他们的理论是，由于原始气体盘的蒸发，这些气态巨行星可能会被设定在目前的轨道上。这可以解释为什么行星在太阳系演化过程中比尼斯模型最初假设的要早得多，甚至可能没有不稳定性将它们推向那里。

“我们想知道尼斯模型对于解释太阳系是否真的有必要，”雷蒙德说。“我们提出了这样一个想法，即随着圆盘消散，巨型行星可能会通过‘反弹’效应扩散开来，也许永远不会变得不稳定。”

雷蒙德和雅各布森随后联系了刘，他通过对气体盘和大型系外行星(其他太阳系中的行星)的广泛模拟，开创了这种反弹效应的想法。

“我们太阳系的情况略有不同，因为木星、土星、天王星和海王星分布在更宽的轨道上，”刘说。“经过几次反复的头脑风暴会议，我们意识到，如果气体盘从内到外消散，这个问题就可以解决。”

雷蒙德说，研究小组发现，这种由内而外的耗散为尼斯模型的不稳定性提供了一个自然的触发因素。

“我们最终加强了尼斯模式，而不是破坏它，”他说。“这是一个有趣的例子，它检验了我们先入为主的想法，并遵循了它们的结果。”

有了新的触发因素，不稳定开始时的情况看起来是一样的。仍有一个新生的太阳被气体和尘埃云包围着。一些年轻的气态巨行星围绕着这颗恒星，沿着整齐紧凑的轨道穿过这片云。

“所有的太阳系都是在气体和尘埃的圆盘中形成的。这是恒星形成的自然副产品，”雅各布森说。“但当太阳开始发光并开始燃烧核燃料时，它会产生阳光，加热圆盘，最终将其从内到外吹走。”

这在以太阳为中心的气体云中形成了一个越来越大的洞。随着黑洞的扩大，它的边缘扫过了每颗气态巨行星的轨道。根据该团队的计算机模拟，这种转变极有可能导致必要的巨行星不稳定。与尼斯模型最初的数亿年时间相比，这些大行星进入当前轨道的过程也很快。

刘说:“这种不稳定发生在太阳气体盘消散的早期，被限制在太阳系诞生后的几百万年到1000万年之间。”

新的触发因素也会导致来自外太阳系和内太阳系的物质混合。地球的地球化学表明，这样的混合需要在我们的星球仍处于形成阶段时发生。

雅各布森说:“这个过程真的会搅动太阳系内部，地球可以从中成长。”“这与观察结果非常一致。”探索不稳定性和地球形成之间的联系是该小组未来工作的主题。

最后，该团队的新解释也适用于我们银河系中的其他太阳系，科学家们已经观察到气体巨星围绕恒星运行，其结构与我们在银河系中看到的相似。

“我们只是银河系中太阳系的一个例子，”雅各布森说。“我们所展示的是，这种不稳定是以另一种方式发生的，一种更普遍、更一致的方式。”

来自外太空的第九行星

虽然该团队的论文没有强调这一点，但雅各布森说，这项工作对我们太阳系最受欢迎、偶尔也很激烈的争论之一有影响:它有多少颗行星?

目前，答案是8颗，但事实证明，当早期太阳系有5颗气态巨行星而不是4颗时，尼斯模型的效果会稍微好一些。可悲的是，根据该模型，在不稳定时期，这颗额外的行星被抛出了太阳系，这有助于剩余的气态巨行星找到它们的轨道。

然而，在2015年，加州理工学院的研究人员发现了证据，表明太阳系外围可能存在一颗未被发现的行星，距离太阳约500亿英里，比海王星远470亿英里。

目前还没有具体的证据证明这颗假想的行星——绰号为行星X或行星9——或尼斯模型中的“额外”行星确实存在。但是，如果它们确实存在，它们会是同一个人吗?

雅各布森和他的同事们无法通过他们的模拟直接回答这个问题，但他们可以做下一个最好的事情。知道了它们的不稳定性触发因素可以正确地再现我们太阳系的当前图景，他们可以从四到五个气态巨行星开始测试他们的模型是否更有效。

雅各布森说:“对我们来说，如果你从四到五个开始，结果非常相似。”“如果你一开始有5个，最后很可能有4个。但如果你从四个开始，轨道最终会更好地匹配。”

不管怎样，人类应该很快就会有答案。按计划将于2023年底投入使用的维拉·鲁宾天文台应该能够发现第九行星，如果它真的存在的话。

“第九行星极具争议性，所以我们没有在论文中强调这一点，”雅各布森说，“但我们确实喜欢与公众讨论它。”

它提醒我们，我们的太阳系是一个充满活力的地方，仍然充满奥秘和发现等待着我们去发现。