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在希腊罗马神话中，木星是众神之王，一位摧毁了更古老泰坦种族的神祇，成为了嫉妒且复仇的天地之主。
尽管这可能看起来很奇怪，但科学理论为这种历史虚构提供了佐证。 作为围绕太阳运行的最大、最重的物体，以木星命名的世界是行星之主，是太阳系中的主导力量。 很久以前，当木星将行星形成后剩余的碎片抛出太阳系时，可能也向我们原始的地球抛下了一些碎片，带来了现在充满我们海洋的一些水。 木星仍然引导着成群的小行星，偶尔会将一些小行星无害地送入星际空间，或使其与地球和其他行星发生破坏性碰撞。 木星甚至可能在约 6600 万年前小行星导致恐龙灭绝的事件中发挥了作用，这一事件开启了我们哺乳动物祖先的统治。 没有木星，人类可能不会存在。
然而，一项新的研究表明，如果没有木星，地球本身可能也不存在。 在地球和其他岩石行星现在运行的轨道上，可能最初存在着更大、被气体笼罩、完全不适宜居住的星球的前代世界。 但木星横扫而来，通过摧毁那些较老的行星，为像地球这样的小世界扫清了道路。 这项研究由加州理工学院行星科学家康斯坦丁·巴特金和加州大学圣克鲁兹分校天体物理学家格雷格·劳夫林共同撰写，发表在 3 月 23 日的《美国国家科学院院刊》上。
太阳系中的一个空洞
有数百个理由怀疑我们的太阳系过去曾拥有更多更大的内部行星——例如美国宇航局开普勒任务等行星探测项目发现了数百个多行星系统。 尽管我们的太阳系在水星以内基本上是空的，但大多数其他恒星周围的等效区域似乎都挤满了近距离、中等质量的行星——那些介于地球和海王星大小之间的行星。 充满希望的天文学家将这些世界称为“超级地球”，但它们中的大多数似乎更像是富含氢气、被气体笼罩的迷你海王星——确实非常不像地球。“既然我们可以在所有这些其他行星系统的背景下审视我们自己的太阳系，”劳夫林说，“我们星系中标准配置的行星系统似乎是一组轨道周期短得惊人的超级地球。 我们的太阳系看起来越来越像一个怪胎。”
如果是这样，那么显而易见的问题是它是如何变成这样的。 根据巴特金的说法，没有理由怀疑行星形成的实际过程在我们太阳周围与其他恒星周围发生的情况非常不同。 相反，我们太阳系作为异常值的原因可能在于其后续演化的细节——在很大程度上受木星控制。
迁移的世界
天文学家过去认为行星系统是相当静态和稳定的。 行星会从年轻恒星周围旋转的气体和尘埃盘中凝聚而成，有点像树木从泥土中冒出来，扎根并在出生地几乎不动。 小型岩石行星会在靠近恒星的强烈光和热中形成，而气态巨行星则会在更远的地方形成，那里的低温可以保存更多的气体原料。 不管大小，是气体还是岩石，大多数行星都会在原始的、近乎圆形的轨道上绕恒星运行。 所有这些都与我们对自身太阳系的理解相吻合。 但我们可能对什么是常态存在巨大的误解。
二十年前，当天文学家发现第一批绕其他恒星运行的行星时，他们也开始意识到行星系统是混乱的地方。 一些行星并非在近圆形轨道上运行，而是在椭圆形的“偏心”路径上运行，这使得它们时而靠近恒星，时而远离恒星——几乎就像它们受到了其他世界引力影响而偏离了轨道一样。 而且大多数新发现的巨行星与木星非常不同——它们在灼热的、靠近恒星的轨道上，远远地位于它们本应形成的寒冷外部区域的内侧。 行星也可能会迁移，这可能是受到与它们形成盘的温和相互作用或与它们的行星兄弟姐妹的近距离接触的推动。
自从那些发现以来，研究人员一直在努力理解行星迁移的想法，以便更好地了解不仅是其他行星系统的特征，还有我们自己的行星系统的特征。 其中一个例子是“大头钉”情景，该情景假设在我们太阳系存在的最初几百万年里，木星迁移到内太阳系，然后再从内太阳系迁移出来，其路线类似于帆船绕浮标抢风行驶的路线。 那时，木星仍然会嵌入富含气体的圆盘中。 大部分气体都螺旋向下朝着太阳运动——以至于这种作用也会消耗掉木星的一些角动量，导致这颗巨行星本身螺旋进入今天火星所在位置的附近。 如果不是因为随后形成的土星也开始漂移进来并抓住了木星，木星就会一直坠落到太阳中。 随着两颗巨行星越来越近，它们被 轨道共振捕获。 这种共振排出了它们之间所有的气体，逐渐逆转了它们的死亡螺旋，并导致它们“抢风”回到外太阳系。
尽管这看起来很古怪，但大头钉假说背后的物理机制是合理的，并且有充分的理由怀疑它发生了。 该情景巧妙地解释了火星异常小的尺寸，理论家认为火星的尺寸应该更大，因为很久以前其轨道上应该存在大量行星形成物质。 在大头钉过程中，木星会喷射出大部分物质，只留下足够的物质供火星形成。 该假说还有助于解释小行星带中冰体和岩石体的分布以及太阳系的其他各种特征。
大袭击
在他们的研究中，巴特金和劳夫林调查了木星的大头钉是否也能解释我们太阳系中心巨大的空洞。 这两人使用数值模拟，研究了大头钉会对假设的正在形成中的超级地球胚胎种群产生什么影响。 模拟表明，木星的向内螺旋会使成群的 100 公里宽的行星构建块倾泻到内太阳系中。 这颗巨行星的引力还会将这些构建块和内部行星本身抛入重叠的椭圆轨道，从而在旋转、碰撞、破碎的世界中制造一场行星际拆除竞赛。“这与我们担心卫星在近地轨道被摧毁的情况相同，”劳夫林说。“它们的碎片会开始撞击其他卫星，你将面临连锁碰撞的风险。 我们的工作表明，木星会在内太阳系中造成如此大规模的碰撞级联。”
尽管这些碰撞会非常剧烈，但它们本身并不能完全摧毁正在聚结的超级地球。 相反，碰撞产生的碎片雪崩会在周围的太阳系盘中产生强大的空气动力逆风，形成螺旋状的气体漩涡，然后将第一代内部岩石行星扫入太阳。“这是一个非常有效的物理过程，”巴特金说。“你只需要相当于几个地球质量的物质就可以将相当于数十个地球质量的行星驱动到太阳中。”
除了对其他行星系统的观测表明我们的太阳系是异常值之外，几乎没有证据表明我们的太阳形成并失去了早期一代的内部世界。 但劳夫林发现这个想法的技术实力和巧妙之处令人信服。“这种理论，先发生这个，然后发生那个，几乎总是错误的，所以我最初持怀疑态度，”他说。“但它实际上涉及其他研究人员广泛研究的通用过程……。 木星的‘大头钉’很可能对原始的内太阳系进行了一次‘大袭击’。”
一个更孤独的星球
在木星的大袭击之后，只会剩下少量的挥发性气体和破碎岩石的残渣，但巴特金指出，木星可能注入内太阳系的总物质中只有大约 10% 是形成水星、金星、地球和火星所需要的。 随着木星逆转方向并螺旋返回外太阳系，它的通过可能使一小部分残渣沉淀到更圆形的轨道上。 在一亿到两亿年的时间跨度内，那些贫乏的、挥发性物质耗尽的残渣然后会聚集在一起，形成我们今天所知的相对较小且干旱的内部行星。 所有这些都与其他大量证据相吻合，这些证据表明内部岩石行星的形成明显晚于外部巨行星，并解释了为什么太阳的内部世界比在其他恒星周围观察到的内部世界更小且大气层更薄。
出现的图景是，我们可能比之前认为的更加宇宙孤独。“我们理论的预测之一是，真正类地行星，具有固体表面和适度的大气压，是罕见的，”劳夫林说。
如果这是真的，巴特金和劳夫林的研究将意味着，我们现在在如此多的其他恒星周围观察到的大多数近距离、潜在的岩石和宜居行星可能根本不是岩石或宜居的。 相反，拜访它们你会因为它们厚厚的富氢大气层而被压碎、煮熟和窒息。 该研究还表明，遥远的木星在其他恒星周围非常罕见； 大多数巨行星不会只是短暂地访问内部系统，而是会迁移到那里停留，这可能会阻止类地世界的形成。
从这个角度来看，我们真正应该感谢土星让我们存在于此，因为这颗环状行星的存在可能阻止了木星更靠近太阳。 带着诗意的许可，这让我们回到了神话——在神话中，土星是木星的父亲，也是负责地球财富、快乐和富足的神。 下次你仰望天空，在晴朗、无氢的天空下没有被压碎和煮熟时，不要感谢你的幸运星——感谢木星和土星。