如果太阳系获得了一个超级地球会怎么样？ _太阳系

研究中的这张图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。Credit: Kane, 2023
据美国物理学家组织网（by Evan Gough, Universe Today）：在这个发现系外行星的时代，天文学家已经发现了超过5000颗已确认的系外行星，还有数千颗等待确认，还有数十亿颗等待发现。这些系外行星存在于令人困惑的大小、成分、轨道周期以及几乎所有其他可以测量的特征中。
对它们的了解也揭示了我们的太阳系。我们过去认为这是行星的原型排列，因为这是我们必须继续下去的全部。但是现在我们知道我们可能是离群值，因为我们没有超级地球。
超级地球是一类常见于其他恒星周围的行星。它们仅由质量来定义，在2到10个地球质量之间。尽管行星搜寻者已经发现了超过1500颗，但我们的太阳系一颗也没有。由于我们的太阳系缺少这些典型类型中的一种，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这样的系统在紧凑的系统中有多个行星，它们在长期稳定的轨道上离恒星更近。如此密集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。该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。
其他像HD 20782这样的系统有着极端轨道偏心率的行星。HD 20782 b拥有已知最偏心的轨道之一。它的偏心率是0.97 ，非常高，因为偏心率1.00是逃逸轨道。(作为对比，地球的偏心率是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旅行到外系统时，经历了剧烈的温度波动。
一位经验丰富的行星研究者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。它会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系统更加一致吗？我们的太阳系会被认出来吗？
为了找到答案，他在模拟太阳系的过程中创造了一个模拟的超级地球。
他叫斯蒂芬·凯恩，是加州大学的行星天体物理学教授。论文是“太阳系超级地球的动力学后果”，凯恩是唯一的作者。这篇论文还没有经过同行评议。
在他的论文中，凯恩指出了我们太阳系的行星大小/质量差距以及这对研究人员的意义。没有一个介于地球和海王星质量之间的超级地球，很难将我们的系统放入背景中。很难模拟这些行星是如何形成的，它们的成分可能是什么。
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起到了一定的作用，吞噬了原本可能聚集在地球或火星上的质量，将它们变成了超级地球。
没有我们自己的超级地球来研究，研究人员留下了许多问题。“即便如此， ”凯恩写道，“调查太阳系内额外行星质量的动力学后果是有用的，以便约束当前的形成理论，并研究对一般行星系统架构的影响。”
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，它们变得更加详细和强大。研究人员改变输入来观察像太阳系和行星这样的东西在不同条件下是如何形成和表现的。在这项工作中，凯恩将一个超级地球放在我们的太阳系中，看看会发生什么。
凯恩写道:“在这篇论文中，我们提供了一项动力学研究的结果，该研究将一颗额外的类地行星放置在当前太阳系架构内的质量范围1至10个地球质量和半长轴范围2-4 AU内。”
凯恩补充说，行星的质量在1到10个地球质量之间，以1个地球质量为步长。他将行星放在圆形轨道的不同起始位置。轨道与地球共面，半长轴范围为2到4个天文单位(AU ),步长为0.01 AU 。
“这导致了几千次模拟，每次模拟允许运行107年，从当前纪元开始，每100个模拟年输出一个轨道配置，”凯恩解释说。
模拟显示内行星比外行星更容易受到超级地球的不稳定性的影响。“2-4au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沌演化，”论文指出。
“混沌进化”是轻描淡写。超级地球的加入改变了行星之间的关系，也改变了整个内太阳系的结构。“在这个例子中，所有四颗内行星的轨道都变得非常不稳定，以至于在107年的模拟结束之前，它们就被从系统中删除了。”
可怜的火星在被喷射之前只进行了一半的模拟。在与金星和地球相互作用之前，水星只完成了模拟的三分之一，它们越来越大的偏心率给水星的轨道带来了角动量，将其赶走。
在另一轮模拟中，凯恩在3.7天文单位的距离放置了一个有八个地球质量的超级地球。这导致地球和金星的偏心率开始略有增加，然后，加上木星的影响，扰乱了水星的轨道，以至于它再次被迅速驱逐。水星灾难性的移动通过向轨道注入角动量改变了地球和金星。凯恩写道:“这导致了它们轨道的实质性周期性演变，它们的偏心率有高低频变化。”
在这种情况下，火星的轨道相对不受影响，尽管由于与外行星的相互作用，它的偏心率“经历了高”频率的振荡。"
外太阳系也发生了变化，尽管没有那么严重。当模拟将一颗有7个地球质量的行星放置在3.79天文单位时，起初没有发生太多事情。但最终，会有戏剧性的变化。超级地球的轨道改变，它的半长轴远达30天文单位。大约400万年后，超级地球被逐出系统。凯恩解释说，它的喷射转移了角动量，这“对土星、天王星和海王星的偏心率产生了重大影响” 。
在另一个模拟中，注入的超级地球也有7个地球质量，AU变化很小，从3.79到3.8 。超级地球再次被抛出，木星和土星的偏心率增加。这个微小的变化也引发了天王星的消失。
凯恩进行了几千次模拟，根据参数，一些内行星被喷射出去，就像植入的超级地球一样。在其他建筑中，冰冷的巨人也被逐出。但是弹射只是一种结果，尽管是最极端的结果。
模拟显示超级地球的存在会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大幅波动。“这些相互作用导致金星和地球轨道偏心率的大幅振荡，创造了米兰科维奇周期，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的影响是一个悬而未决的问题。如果这项研究有什么启示的话，这是一个需要研究的问题。“行星气候对超级地球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)是否会优先导致偏心率驱动的气候效应，”作者解释道。
在之前的几十年里，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。但是现在我们知道，我们的太阳系并不能代表外面的世界，尤其是当它涉及到超级地球的时候。这种差异可能源于大行星的迁移方式。“特别是，这些巨大的行星迁移事件可能影响了内太阳系中类地行星的形成过程，并缩短了迄今为止发现的最常见的行星类型:超级地球的形成，”论文指出。
大钉假说显示了木星如何在3.5天文单位形成，向内迁移到1.5天文单位，然后再向外迁移到5.2天文单位。行星之王像那样在太阳系中移动会影响周围的一切。它可能会在内太阳系的物体之间产生碰撞级联，将物质推向太阳，这可能会形成一个超级地球。一些研究人员认为，我们的系统在遥远的过去确实有一个超级地球，它在太阳下消亡了。
凯恩称我们缺少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、气体巨星或冰巨星那样近距离地研究超级地球。但是超级地球的存在可能会彻底改变太阳系，对生命来说可能是灾难性的。
“我们的结果揭示了我们现有行星结构的动态脆弱性，允许在行星系统架构的更广泛背景下对这种结构进行更详细的检查，”凯恩写道。这项工作的主要目的是将我们自己的“古怪”系统与外面过多的含有超级地球的太阳系进行比较。
“从个体和统计的角度来研究这些系统的轨道，将展示与超级地球行星共享动态空间的真实后果，”他总结道。
这项研究发表在arXiv预印本服务器上。