我们的太阳系就像一个存在了46亿年的犯罪现场。
布满陨石坑的表面、错位的行星轨道以及星际碎片的流，就像墙上的血迹飞溅和逃跑车辆的刹车痕迹，是宇宙中的对应物。这些和其他线索讲述了我们行星家族混乱的开端。
在这些线索中，隐藏着一个失踪兄弟姐妹的暗示：第九颗行星（不，不是冥王星），它在重力拔河中被踢走，重塑了早期的太阳系。
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如今，外太阳系由四个巨行星主导：木星、土星、天王星和海王星。在它们之外是柯伊伯带，这是一片冰冷的碎片带，冥王星也是它的居民之一。
巨行星早期的迁移记录在柯伊伯带中碎片聚集的方式中，柯伊伯带是一个环绕海王星轨道运行的冰冷天体环（此处有图示）。
“我们不应该陷入只看外太阳系就认为它一直如此的陷阱，”科罗拉多州博尔德市西南研究所的行星科学家大卫·内斯沃尼说，他在2011年首次提出了流浪行星的观点。
内斯沃尼是一群试图弄清楚太阳系在最初几亿年内如何演化的科学家之一。研究人员使用复杂的计算机模拟，构建了一个叙事，其中婴儿行星形成时相对靠近，然后争夺位置，交替地从一个轨道滑行和跳跃到另一个轨道。这些模拟解释了行星、小行星和彗星今天如何绕太阳运行的许多细节。
但有一个问题。这个故事通常以天王星或海王星被踢出太阳系而告终，内斯沃尼在9月份的《天文学和天体物理学年度评论》中写道。
由于天王星和海王星显然仍然存在——毕竟，航天器已经访问过这两个世界——这个故事不太能站得住脚。但是，许多研究人员怀疑，第五颗巨行星可能是这个谜团所需的英雄，也是太阳系历史中一个至关重要的缺失角色。
一个幽灵行星
为了重现这些古老的场景，天文学家依靠计算机模拟来以成千上万种不同的方式生成数千个不同的太阳系。在代码行中，他们制定了物理定律以及他们可以想象的任何行星排列的起始阵容。研究人员设定好舞台——在这里扔下一颗行星，在那里撒一些小行星——然后退后一步，让模拟的自然运行。在现实世界的几个星期之后——模拟中会发生数百万年——天文学家会偷看一下内部，看看太阳系的结果如何。越接近真实情况越好。
这就是内斯沃尼在2009年所做的事情。他正在摆弄虚拟的太阳系，试图找到一种方法来拯救虚拟的天王星和虚拟的海王星，使其免于前往虚拟深空的单程旅行。
问题在于木星。这颗巨行星是个恶霸，其引力可以延伸得很远很广，以推开较小的世界和各种碎片。在当时最成功的模拟中，木星和两个最外层行星中的一个相互反弹，最终进入了现代轨道。但这只发生在约百分之一的时间里。在其他99%的情况下，木星用力地抛掷天王星或海王星，以至于它们离开了太阳系，一去不复返。
“这使得事情变得奇怪，因为我们知道天王星和海王星幸存了下来，”内斯沃尼说。所以他一直在修补。在尝试了无数不同的场景一年后，他开始尝试添加殉道世界：为了拯救其他行星而牺牲的额外行星。
“我运行这些模拟只是想看看会发生什么，并没有太当真，”内斯沃尼说。“但是后来我意识到其中可能有一些真实性。”他运行了大约 10,000 次模拟，每次都改变了额外行星的数量、它们的起始位置和质量。
最佳方案——最能重现与真实太阳系最相似的太阳系的方案——是一颗位于土星和天王星原始轨道之间的额外行星。这个世界大约和天王星和海王星一样大，大约是地球的16倍。正是这颗行星可能与木星的轨道纠缠在一起，并被抛出太阳系。
一张图表显示了每个巨行星到太阳的平均距离如何随着时间变化。在计算机模拟中，轨道在最初的几百万年里缓慢变化，然后土星（绿色）和一颗额外的行星（紫色）之间的一次近距离接触导致轨道跳跃和摇摆。虚线标记了轨道目前的尺寸。
几率仍然不高。这种设置的重复模拟仅在约百分之五的时间内有效。“目前的太阳系既不是典型也不是预期的结果，”内斯沃尼在 2012 年发表的一篇探讨这一想法的论文中写道，该论文由他在法国蔚蓝海岸天文台的同事亚历山德罗·莫比德利共同撰写。但这比仅包括我们今天所了解和喜爱的四颗巨行星的模拟的百分之一的成功率有了显着提高。
“实际上，调用第五颗[巨]行星的存在要比没有它简单得多，”法国波尔多大学的行星科学家肖恩·雷蒙德说。虽然证据在很大程度上是间接的，“但拥有一个额外的行星更有意义。”
这可能看起来有些牵强。天文学家怎么能了解超过 40 亿年前发生的事情，以及我们拥有的行星，更不用说那些甚至不存在的行星了呢？事实证明，行星在其青年时期留下了许多战斗伤疤，供行星侦探们试图解读。
星际血迹飞溅
“我们非常确定行星不是在它们今天所在的位置形成的，”俄克拉荷马州诺曼市俄克拉荷马大学的行星科学家内森·凯布说。
不过，这个认识是最近才出现的。在大部分历史中，观星者都认为行星一直遵循着它们现有的轨道。但在 1990 年代初期，研究人员意识到这个场景出了问题。
就在海王星轨道之外是柯伊伯带，一片环绕太阳的冰冷碎片。“它们是墙上的血迹飞溅，”加州理工学院的行星科学家康斯坦丁·巴蒂金说。
柯伊伯带天体的排列使得研究人员得出一个不可避免的结论：海王星一定是形成于比今天更靠近太阳的地方。柯伊伯带中的许多天体以同心轨道聚集在一起，隐约类似于唱片中的凹槽。而且这些不仅仅是随机轨道——它们直接与海王星的轨道相连。
以柯伊伯带最著名的居民冥王星为例。它和它已知的数百个同伴每绕太阳两周，海王星绕太阳三周。其他柯伊伯天体流每绕太阳一周，海王星就绕太阳两周，或者每绕太阳四周，海王星就绕太阳七周。
柯伊伯带不可能自己变成那样。但是，如果海王星形成时离太阳更近，然后慢慢向外移动，它的引力就会像一张网，将附近的星际碎片捕获到这些特殊的轨道上，并将其带走。
此模拟显示了外行星的紧凑配置（左）如何随着时间的推移而演化。木星和土星同步它们的轨道（中间），这会导致所有行星的轨道发生变化。在此特定运行中，天王星和海王星交换位置。随着时间的推移，（右）碎片散落，其中一些碎片沉降在柯伊伯带中，而行星则向其现代轨道前进。
这与一些模拟在十年前暗示的结果相符。行星的形成是一件混乱的事情，使得碎片散落在太阳系各处。任何太靠近海王星的碎片都会被行星的引力引导。由于每个作用都有一个相等且相反的反作用，所以每当海王星推一下碎片时，行星就会被向相反的方向推动。随着时间的推移，海王星会慢慢地从太阳爬开。
海王星的迁移也牵涉到其他巨行星。毕竟，木星、土星和天王星也在同一片碎片中穿行，并处理类似的引力相互作用。如果海王星移动了，那么所有巨行星都必须移动。
而且这不可能是平稳的旅程。
所有这些碎片的不断研磨应该将巨行星的轨道雕刻成完美对齐的圆形，就像陶工稳固的手将陶轮上的粘土磨平一样。然而，轨道最终并没有变成那样。相反，巨行星在略微拉长且倾斜的轨道上运行。这就像有人撞到了轮子，使曾经圆形的罐子变形了一样。
跳跃的木星
到 2005 年，研究人员发现了一个罪魁祸首。新的模拟表明，巨行星在某个时刻一定经历过科学家所谓的“动力学不稳定性”。换句话说，大约一百万年的时间里，事情变得疯狂起来。最有可能的来源似乎是土星和天王星或海王星（又名冰巨星）之间的一系列近距离接触，这使得这两个世界中的一个朝着木星移动。随着迷途的世界接近，它的引力拉回了木星，使这颗巨行星减速并使其进入较低的轨道。但是木星也同样用力地拉着逼近的行星。冰巨星的质量要轻得多，它的加速速度远远超过木星的减速速度，从而使其远离了太阳。
这场争吵就像太阳系遭受了一次引力冲击。木星向内跳跃，而其他外行星则向外跳跃。这一踢本应将巨行星的轨道扭曲成它们现在的样子。它还会将内太阳系——水星、金星、地球、火星和小行星带——从木星和土星的长期引力干扰中拯救出来，这是早期模拟中出现的另一个问题。
这让我们谈到了天王星或海王星的移除。在模拟的这个阶段，木星通常会将冰巨星踢出到银河系中。
这就是内斯沃尼试图在不破坏模拟的其他有效部分的情况下解决的难题。一个额外的冰巨星承受了木星欺凌的冲击，同时让叙事中的其他事件不受阻碍地展开。
“这完全是可能的，”巴蒂金说。“[如果]你问我们为什么应该有两个而不是三个冰巨星，答案是绝对没有理由。” 事实上，他说，一些计算表明，最初可能形成了多达五个类似海王星的世界。
巴蒂金和他的同事们在研究这个问题时，与内斯沃尼是同时进行的，尽管他们的动机不同。“我想证明可能没有额外的巨行星，”他说。
他认为，这颗假设的行星在离开太阳系的过程中，会扰乱柯伊伯带中被称为冷古典带的部分。巴蒂金说，如果柯伊伯带是一个甜甜圈，那么冷古典带就是巧克力馅——一组轨道几乎平躺在柯伊伯带内的天体。一颗经过的行星应该会搅乱这些轨道，巴蒂金和他的同事们是这样认为的。
他们的计算机模拟显示，情况并非如此。令他们惊讶的是，一颗被抛出的行星不会破坏冷古典带。这并不能证明这颗行星存在，只是证明无论它是否存在，太阳系都可以正常运行。这颗行星是否可能留下了更直接的痕迹？或者回到犯罪现场的比喻，是否有任何刹车痕迹？内斯沃尼认为可能存在。
线索的萌芽
柯伊伯带的另一部分被称为核，它是冰碎片的一条狭窄的流，其轨道目前与海王星不同步。它的起源有点神秘。2015年，内斯沃尼认为，海王星向外迁移的跳跃——由一颗被抛出的行星引起——可能是造成这种情况的原因。
当海王星跋涉到其最终轨道并将碎片扫入与其自身同步的轨道时，在正确的时间“撞击”可能会释放一些碎片，使其成为像核一样的独立流。模拟显示，使木星跳跃并抛出额外行星的引力踢击也会在正确的时间发生，从而打击海王星。
“你最终会得到像核一样的东西，”内斯沃尼说。“这是间接证据……但并非结论性的。”
事实是，我们可能永远无法确切知道太阳系形成初期发生了什么。“我们不能写一本太阳系圣经，”巴蒂金说。“我们只能给出一个非常模糊的故事。”
如果太阳系真的踢出了自己的成员之一，那么它并不孤单。近年来，天文学家在恒星之间发现了一些漂流的流浪行星，很可能是从它们的家园中抛出来的。经过一些推断，“这些观测表明，星系中自由漂浮的木星大小的行星比恒星还多，”内斯沃尼说。
这可能是一种夸大其词的说法——最近的估计将这个数字定为每四颗恒星中就有一颗流浪木星——但这仍然是数十亿颗漂流的世界。而这些只是木星那么大的行星。我们的流浪者可能更小，大约是海王星的大小，我们不知道有多少这样的行星在星系中漫游。但我们确实知道，宇宙倾向于青睐小型物体而不是大型物体。
“我敢打赌会有很多，”内斯沃尼说。此外，天文学家已经在银河系中发现了数千个行星系统，其中许多系统都显示出比我们自己的系统更剧烈的碰撞迹象。“令人惊讶的是，”他说，“太阳系是如何保持如此有组织的。”
这篇文章最初于2018年10月3日由Knowable Magazine发布，Knowable Magazine是Annual Reviews的独立新闻工作，经许可转载。 注册简报。