研究中的這張圖顯示了凱恩是如何進行模擬的。外面的陽系樣黑色圓圈是木星的軌道，紅色圓圈覆蓋了他放置超級地球的果太個超范圍。Credit: Kane,陽系樣 2023
（神秘的地球uux.cn）據美國物理學家組織網（by Evan Gough, Universe Today）：在這個發現系外行星的時代，天文學家已經發現了超過5000顆已確認的果太個超系外行星，還有數千顆等待確認，陽系樣還有數十億顆等待發現。果太個超這些系外行星存在于令人困惑的陽系樣大小、成分、果太個超軌道周期以及幾乎所有其他可以測量的陽系樣特征中。
對它們的果太個超了解也揭示了我們的太陽系。我們過去認為這是陽系樣行星的原型排列，因為這是果太個超我們必須繼續下去的全部。但是陽系樣現在我們知道我們可能是離群值，因為我們沒有超級地球。果太個超
超級地球是一類常見于其他恒星周圍的行星。它們僅由質量來定義，在2到10個地球質量之間。盡管行星搜尋者已經發現了超過1500顆，但我們的太陽系一顆也沒有。由于我們的太陽系缺少這些典型類型中的一種，行星科學家很難理解其他系統中的超級地球。
我們太陽系的結構與天文學家在其他恒星周圍看到的也有很大不同。像開普勒-11這樣的系統在緊湊的系統中有多個行星，它們在長期穩定的軌道上離恒星更近。如此密集的行星之間的相互作用應該會導致軌道不穩定，但開普勒-11的行星有可能穩定數十億年。該系統中最小的行星開普勒-11 f的質量仍然是地球的2.5倍。
其他像HD 20782這樣的系統有著極端軌道偏心率的行星。HD 20782 b擁有已知最偏心的軌道之一。它的偏心率是0.97，非常高，因為偏心率1.00是逃逸軌道。(作為對比，地球的偏心率是0.016，其中0是圓形軌道。)因此，HD 20782 b在其585天的軌道上從內太陽系旅行到外系統時，經歷了劇烈的溫度波動。
一位經驗豐富的行星研究者想知道如果我們的太陽系真的有一個超級地球會發生什么。它會如何改變我們的太陽系？超級地球會讓我們的太陽系與我們在銀河系中看到的其他系統更加一致嗎？我們的太陽系會被認出來嗎？
為了找到答案，他在模擬太陽系的過程中創造了一個模擬的超級地球。
他叫斯蒂芬·凱恩，是加州大學的行星天體物理學教授。論文是“太陽系超級地球的動力學后果”，凱恩是唯一的作者。這篇論文還沒有經過同行評議。
在他的論文中，凱恩指出了我們太陽系的行星大小/質量差距以及這對研究人員的意義。沒有一個介于地球和海王星質量之間的超級地球，很難將我們的系統放入背景中。很難模擬這些行星是如何形成的，它們的成分可能是什么。
我們的系統沒有超級地球可能有多種原因。木星和土星的早期遷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質量，將它們變成了超級地球。
沒有我們自己的超級地球來研究，研究人員留下了許多問題。“即便如此，”凱恩寫道，“調查太陽系內額外行星質量的動力學后果是有用的，以便約束當前的形成理論，并研究對一般行星系統架構的影響。”
詳細的計算機模型和模擬是天文學的重要組成部分，隨著時間的推移，它們變得更加詳細和強大。研究人員改變輸入來觀察像太陽系和行星這樣的東西在不同條件下是如何形成和表現的。在這項工作中，凱恩將一個超級地球放在我們的太陽系中，看看會發生什么。
凱恩寫道:“在這篇論文中，我們提供了一項動力學研究的結果，該研究將一顆額外的類地行星放置在當前太陽系架構內的質量范圍1至10個地球質量和半長軸范圍2-4 AU內。”
凱恩補充說，行星的質量在1到10個地球質量之間，以1個地球質量為步長。他將行星放在圓形軌道的不同起始位置。軌道與地球共面，半長軸范圍為2到4個天文單位(AU ),步長為0.01 AU。
“這導致了幾千次模擬，每次模擬允許運行107年，從當前紀元開始，每100個模擬年輸出一個軌道配置，”凱恩解釋說。
模擬顯示內行星比外行星更容易受到超級地球的不穩定性的影響。“2-4au的廣闊區域包含許多與內行星的MMR(平均運動共振)位置，這進一步放大了內太陽系的混沌演化，”論文指出。
“混沌進化”是輕描淡寫。超級地球的加入改變了行星之間的關系，也改變了整個內太陽系的結構。“在這個例子中，所有四顆內行星的軌道都變得非常不穩定，以至于在107年的模擬結束之前，它們就被從系統中刪除了。”
可憐的火星在被噴射之前只進行了一半的模擬。在與金星和地球相互作用之前，水星只完成了模擬的三分之一，它們越來越大的偏心率給水星的軌道帶來了角動量，將其趕走。
在另一輪模擬中，凱恩在3.7天文單位的距離放置了一個有八個地球質量的超級地球。這導致地球和金星的偏心率開始略有增加，然后，加上木星的影響，擾亂了水星的軌道，以至于它再次被迅速驅逐。水星災難性的移動通過向軌道注入角動量改變了地球和金星。凱恩寫道:“這導致了它們軌道的實質性周期性演變，它們的偏心率有高低頻變化。”
在這種情況下，火星的軌道相對不受影響，盡管由于與外行星的相互作用，它的偏心率“經歷了高”頻率的振蕩。"
外太陽系也發生了變化，盡管沒有那么嚴重。當模擬將一顆有7個地球質量的行星放置在3.79天文單位時，起初沒有發生太多事情。但最終，會有戲劇性的變化。超級地球的軌道改變，它的半長軸遠達30天文單位。大約400萬年后，超級地球被逐出系統。凱恩解釋說，它的噴射轉移了角動量，這“對土星、天王星和海王星的偏心率產生了重大影響”。
在另一個模擬中，注入的超級地球也有7個地球質量，AU變化很小，從3.79到3.8。超級地球再次被拋出，木星和土星的偏心率增加。這個微小的變化也引發了天王星的消失。
凱恩進行了幾千次模擬，根據參數，一些內行星被噴射出去，就像植入的超級地球一樣。在其他建筑中，冰冷的巨人也被逐出。但是彈射只是一種結果，盡管是最極端的結果。
模擬顯示超級地球的存在會使其他行星的軌道更加偏心。這可能會對行星的氣候造成嚴重破壞，因為溫度會根據行星在其偏心軌道上的位置而大幅波動。“這些相互作用導致金星和地球軌道偏心率的大幅振蕩，創造了米蘭科維奇周期，可能會影響這些行星的長期氣候，”凱恩總結道。
那里有許多超級地球，它們的存在對其他系統的可居住性有多強的影響是一個懸而未決的問題。如果這項研究有什么啟示的話，這是一個需要研究的問題。“行星氣候對超級地球軌道相互作用的依賴將需要進一步的大氣數據和建模，以確定這種行星的存在(或缺乏)是否會優先導致偏心率驅動的氣候效應，”作者解釋道。
在之前的幾十年里，天文學家利用我們太陽系的結構來開發太陽系形成和結構的模型。但是現在我們知道，我們的太陽系并不能代表外面的世界，尤其是當它涉及到超級地球的時候。這種差異可能源于大行星的遷移方式。“特別是，這些巨大的行星遷移事件可能影響了內太陽系中類地行星的形成過程，并縮短了迄今為止發現的最常見的行星類型:超級地球的形成，”論文指出。
大釘假說顯示了木星如何在3.5天文單位形成，向內遷移到1.5天文單位，然后再向外遷移到5.2天文單位。行星之王像那樣在太陽系中移動會影響周圍的一切。它可能會在內太陽系的物體之間產生碰撞級聯，將物質推向太陽，這可能會形成一個超級地球。一些研究人員認為，我們的系統在遙遠的過去確實有一個超級地球，它在太陽下消亡了。
凱恩稱我們缺少超級地球是一把雙刃劍。一方面，我們沒有機會像研究類地行星、氣體巨星或冰巨星那樣近距離地研究超級地球。但是超級地球的存在可能會徹底改變太陽系，對生命來說可能是災難性的。
“我們的結果揭示了我們現有行星結構的動態脆弱性，允許在行星系統架構的更廣泛背景下對這種結構進行更詳細的檢查，”凱恩寫道。這項工作的主要目的是將我們自己的“古怪”系統與外面過多的含有超級地球的太陽系進行比較。
“從個體和統計的角度來研究這些系統的軌道，將展示與超級地球行星共享動態空間的真實后果，”他總結道。
這項研究發表在arXiv預印本服務器上。
作者:探索
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