我们太阳系诞生的故事经过多年的复述已经变得平淡无奇。它始于数十亿年前，一片黑色、缓慢旋转的气体和尘埃云。云层坍塌，在其中心形成了我们的太阳。随着时间的推移，八大行星，以及冥王星等较小的天体，从围绕我们恒星旋转的剩余气体和碎片中出现。这个由太阳和行星组成的系统从此一直在太空中旋转，它的运动就像钟表一样精确和可预测。
近年来，天文学家已经瞥见了微妙的线索，这些线索掩盖了这个熟悉的故事。与数千个新发现的系外行星系统的结构相比，我们太阳系最突出的特征——其内部的岩石世界、外部的气态巨行星以及缺乏水星内部的行星——实际上是非常异常的。在计算机模拟中回溯时间，我们了解到这些怪癖是一个动荡的童年的产物。太阳系历史的新兴改写包括比大多数人预期的更多的戏剧性和混乱。
新的历史是一个关于游荡行星被逐出其出生地，迷失的世界在太阳中被烧成灰烬，以及孤独的巨行星被抛入近星际空间的寒冷深渊的故事。通过研究这些古老的事件以及它们可能留下的疤痕——例如最近假设的可能潜伏在冥王星之外的第九行星——天文学家正在获得太阳系关键形成时期的连贯图景，并对其宇宙背景有了新的认识。
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经典的太阳系
行星是恒星形成的副产品，恒星形成发生在质量是我们太阳10,000倍的巨型分子云的核心。云层内致密的核心区域会自身坍塌，形成一个中央发光的原恒星，周围环绕着一个广阔、不透明的气体和尘埃环，称为原行星盘。
几十年来，理论家们一直在研究我们太阳的原始原行星盘，以解释太阳系最独特的特征之一：其岩石和气体行星的两类后代。四颗类地行星被限制在水星的88天和火星的687天轨道周期之间。相比之下，已知的富含气体的巨行星位于更遥远的轨道上，轨道周期从12年到165年不等，并且包含超过类地天体质量150倍以上的质量。
这两种类型的行星都被认为来自普遍的形成过程，其中在气体湍流盘中旋转的尘埃微粒碰撞并粘在一起，形成公里级的物体，称为星子，类似于未清扫的厨房地板上由气流和静电力形成的尘埃球。最大的星子也具有最大的引力，并且随着它们扫过轨道上残留的碎片而迅速变得更大。在从云层坍塌后的可能一百万年内，我们太阳系的原行星盘——就像宇宙中的任何其他原行星盘一样——充满了月球大小的行星胚胎。
最大的胚胎位于当今的小行星带之外，距离新生太阳的光和热足够远，冰可以在原行星盘中存在。超过这条“冰线”，胚胎可以大量吸收行星构建冰，从而长到巨大的尺寸。在一个熟悉的富者更富的例子中，最大的胚胎也是增长最快的，因为其更大的引力场迅速从周围的盘中雕刻出大部分可用的冰、气体和尘埃。在短短一百万年左右的时间里，贪婪的胚胎已经成长为木星。理论家们认为，这是我们太阳系两类结构的出现的关键时刻。由于被木星超越，我们太阳的其他巨行星形成较小的天体，因为它们生长较慢，只有在木星减少了可用量之后才加快了它们吸引气体的引力。内部世界仍然小得多，因为它们诞生于冰线以内，那里的盘相对缺乏气体和冰。
除了少数令人烦恼的细节，例如火星和水星极小的质量之外，这种“木星优先”的叙事似乎是对我们太阳系结构的一种令人满意的解释。对围绕其他恒星运行的系统的期望是明确的：最终会在冰线之外的长期轨道上发现巨行星，而岩石世界将以几年或更短的轨道周期大量存在。然而，这些先入之见被证明是具有欺骗性的。
系外行星革命
当20多年前天文学家开始发现系外行星时，他们还将太阳系形成的理论放在银河尺度上进行了检验。许多最早已知的系外行星是“热木星”，即气态巨行星以仅仅几天的轨道周期围绕其恒星快速旋转。在如此靠近恒星表面的灼热区域存在巨行星，那里完全没有冰，这与行星形成的经典图景完全矛盾。为了调和这种差异，理论家们得出结论，这些行星在更远的地方形成，然后以某种方式向内迁移。
此外，根据美国宇航局开普勒任务等调查发现的数千颗系外行星，天文学家现在得出了令人不安的结论，即类似太阳系的系统相对罕见。平均行星系统包含一个或多个超级地球（比地球大几倍的行星），轨道周期短于约100天。相反，巨行星——木星和土星的类似物——仅在约10%的恒星周围被发现，而占据平稳、几乎圆形轨道的比例甚至更低。
由于他们的期望破灭，理论家们意识到，经典太阳系形成理论的“少数令人烦恼的细节”需要更好的解释。为什么太阳系的内部区域与系外行星的对应区域相比质量如此匮乏，只有相对瘦小的岩石世界而不是超级地球，并且在水星的88天轨道内根本没有世界？为什么太阳的巨行星的轨道如此平静和分散？
就目前情况而言，这些问题的答案可以从经典行星形成理论未能解释原行星盘的流动可变性中得出。事实证明，一颗新生的行星，就像海洋中的救生筏一样，可以远离其原点漂流。一旦行星长得足够大，它的引力影响就会通过周围的盘传播，引发螺旋波，这些螺旋波本身会施加引力，从而在行星和盘之间产生强大的正反馈和负反馈。相应地，可能会发生动量和能量的时间不可逆交换，从而使年轻的行星开始在它们的出生盘中进行史诗般的旅程。
当考虑到行星迁移过程时，盘内的冰线不再在塑造行星系统结构中发挥独特的作用。例如，诞生于冰线之外的巨行星可以通过向内漂移，沿着气体和尘埃螺旋向下朝向恒星移动而变成热木星。问题是这个过程几乎太有效了，似乎是所有原行星盘普遍存在的特性。那么，如何解释木星和土星远离太阳的遥远轨道呢？
大头钉
一个令人信服的解释的第一个暗示来自2001年弗雷德里克·马塞特和马克·斯内尔格罗夫的计算机模拟，当时两人都在伦敦玛丽女王大学。马塞特和斯内尔格罗夫模拟了土星和木星轨道在太阳原行星盘内的同时演化。由于土星的质量较低，其向内迁移速率比木星快，并且随着它们的迁移进行，这两颗行星越来越近。最终，轨道达到一种称为平均运动共振的特定配置，其中木星每围绕太阳旋转三圈，土星就旋转两圈。
通过平均运动共振连接的两颗行星可以在彼此之间像行星际烫手山芋游戏一样来回交换动量和能量。由于共振扰动的相干性质，这两个世界基本上对彼此及其周围环境施加了放大的共同引力影响。对于木星和土星而言，这种跷跷板运动使行星能够共同将它们的重量抛向原行星盘，在其中雕刻出一个巨大的间隙，木星在内侧，土星在外侧。在这一点上，由于其较大的质量，木星对内盘的引力比土星对外盘的引力更大。与直觉相反的是，这导致两颗行星都逆转方向并开始远离太阳漂移。这种先向内后向外的猛扑通常被称为大头钉，因为它类似于帆船迎风换舷逆风改变方向的运动。
在2011年，即大头钉最初概念的十年后，当时在法国尼斯蔚蓝海岸天文台的凯文·J·沃尔什及其同事的计算机模拟表明，它不仅可以巧妙地解释木星和土星的动力学历史，还可以解释岩石和小行星的分布，以及火星的微小质量。当木星向内迁移时，它的引力影响捕获并引导了其路径上的星子穿过盘，像雪犁一样将它们舀起并推到前面。如果我们假设木星迁移到离太阳最近的地方，即在火星的当前轨道之前才折返回来，那么它可能已经将总质量约为地球质量10倍的冰冷构建块运送到太阳系的类地区域，并为那里播撒了水和其他挥发物。这个过程还将在内部星云的行星形成物质中创建了一个清晰的外边缘，从而截断了附近行星胚胎的生长，该胚胎最终变成了我们所知的火星。
木星的大袭击
尽管大头钉情景在2011年看起来很有说服力，但它与我们太阳系剩下的另一个巨大谜团，即水星内部完全没有行星的关系仍然难以捉摸。与其他挤满了近距离超级地球的系统相比，我们的太阳系似乎几乎被掏空了。为什么？我们太阳系似乎没有参与我们在宇宙其他地方看到的行星形成的主要模式，这很奇怪。在2015年，我们中的两位（Batygin和Laughlin）考虑了如果太阳周围存在一组假设的近距离超级地球，大头钉会对它们产生什么后果。我们得出的惊人结论是，它们无法在大头钉中幸存下来。值得注意的是，木星的向内-向外迁移可以解释我们拥有的许多行星的特性，以及我们没有的行星的特性。
当木星冲入太阳系内部时，它对其路径上的星子的雪犁般的影响应该已经将它们整洁的圆形轨道搅动成一个无序的螺旋状、相交的轨迹群。一些星子会以巨大的力量碰撞，破碎成碎片，这些碎片不可避免地会产生进一步的破碎碰撞。因此，木星的向内迁移很可能引发了碰撞级联，侵蚀了星子群，基本上将它们磨回巨石、鹅卵石和沙子。
在内部原行星盘的气体限制内受到碰撞磨削和空气动力学阻力的冲击，破碎、侵蚀的星子释放出它们的能量，并在轨道衰变雪崩中迅速螺旋向下靠近太阳。当它们坠落时，它们很容易被进一步的共振捕获，不祥地堆积在任何原始近距离超级地球的地平线上。
对于那些行星来说，这将是非常糟糕的消息，这些行星突然会受到寄生虫群的骚扰，这些虫群以它们的轨道能量为食。由于不断受到流经圆盘的气体的阻碍，虫群应该直接螺旋进入太阳。但是，由于它们与超级地球的共振，虫群被固定在原位，从行星中虹吸轨道能量，并将其作为空气动力学阻力的热量释放出来。净效应是，侵蚀的星子群以无情的效率将行星推入死亡螺旋，逐渐降低每个世界的轨道，以至于它们一个接一个地坠入太阳。我们的模拟表明，在碰撞级联开始后，这些假设的行星中没有一颗能够存活超过数十万年。
因此，木星和土星的大头钉可能对我们太阳系中一群原始的近距离行星发动了一场真正的大袭击。随着这些昔日的超级地球衰变成太阳，它们会在太阳星云中留下一个荒凉的无人居住的空腔，延伸到大约100天的轨道周期。结果，木星在早期太阳系中的一瞥式猛扑产生了一个相对狭窄的岩石碎片环，类地行星从中整齐地凝聚成形，发生在数亿年后。这种精巧的编排所需的偶然事件的串联表明，小型、类地岩石行星——甚至可能是生命本身——在整个宇宙中可能都是罕见的。
尼斯模型
当木星和土星从它们闯入内部系统的行动中犁回向外时，太阳周围的气体和尘埃盘正在衰退。共振对木星和土星最终遇到了新形成的的天王星和海王星，以及可能还有另一个类似大小的天体。在消散气体的引力效应的帮助下，动态二人组也将这些较小的巨行星锁定在共振中。因此，正如大多数盘的气体消失一样，太阳系的内部结构可能由地球当前轨道附近的岩石碎片环组成。在其外部区域，由至少四颗巨行星组成的紧凑而共振的链条位于木星当前轨道和大约海王星当前轨道的中点之间，几乎呈圆形轨道。在最外层巨行星轨道之外，外部盘的冰冻星子延伸到太阳系的最远边缘。在数亿年的时间里，类地行星形成，曾经狂野的外部世界安定下来，进入了可能持久稳定的状态。但正如偶然事件发生的那样，这并不是我们太阳系演化的最后阶段。
大头钉和同期的“大袭击”在我们太阳系的历史中安排了最后一次行星际暴力，这是一个画龙点睛之笔，使我们太阳的行星群接近我们今天看到的配置。最后一次喘息被称为后期重轰炸，发生在41亿至38亿年前之间，当时太阳系暂时变成了一个射击场，充满了撞击星子的弹幕。我们今天在地球卫星月球上布满巨大陨石坑的表面看到了它的伤疤。
2005年，我们中的一位（莫尔比代利）与尼斯蔚蓝海岸天文台的几位同事合作，提出了所谓的尼斯模型，以解释巨行星之间的相互作用如何产生后期重轰炸。大头钉结束的地方，就是尼斯模型开始的地方。
紧密堆积的巨行星仍然彼此共振，并且仍然感受到外围冰冷星子的轻微引力拖拽。事实上，它们正处于不稳定的刀刃上。数百万个轨道在数亿年的时间里积累，来自外部星子的每一个微不足道的拖拽都微妙地改变了巨行星的运动，慢慢地削弱了束缚它们的共振的微妙平衡。当其中一颗巨行星与另一颗巨行星失去共振时，转折点就来了，解开了平衡，并引发了一系列混乱的行星-行星扰动，这些扰动使木星稍微向内移动，同时将其他巨行星向外散射。在宇宙学上短暂的数百万年时间里，外太阳系经历了一次剧烈的转变，从一个紧密堆积、几乎圆形的稳定状态转变为一个广阔、无序的配置，其特征是行星具有宽阔、偏心的轨道。巨行星之间的相互作用非常剧烈，以至于一颗或多颗行星可能被散射出去，被喷射到星际空间的边界之外。
如果动力学演化到此为止，外太阳系的结构将很好地符合我们在巨型系外行星中看到的趋势，其中许多系外行星围绕其恒星占据偏心轨道。然而，值得庆幸的是，引发混乱的冰冷星子盘也通过随后与巨行星偏心轨道的相互作用，帮助消除了混乱。大多数近距离经过的星子被木星和其他巨行星抛出，逐渐从行星中吸收轨道能量并再次使其轨道圆形化。虽然大多数星子被喷射到太阳引力范围之外，但一小部分仍然留在束缚轨道中，形成了一个冰冷碎片的盘，我们现在称之为柯伊伯带。
第九行星，最终理论
使用最大的望远镜进行的耐心观测工作正在逐渐揭示柯伊伯带的完整范围，慢慢地揭示出意想不到的结构。特别是，天文学家在柯伊伯带最遥远的天体中发现了一种奇特的模式，这些天体存在于可探测性的外限。尽管这些天体与太阳的距离范围很广，但它们的轨道高度聚集，就好像它们都受到一个共同的、非常大的扰动一样。Batygin和加州理工学院的迈克尔·E·布朗进行的计算机模拟表明，这种情况是由一颗尚未观测到的第九行星自然产生的，该行星的质量约为地球质量的10倍，并且在围绕太阳的轨道上高度偏心，周期约为20,000年。这样的行星不太可能在如此遥远的地方形成，但它可以很容易地被理解为太阳系婴儿期从更近的地方弹出的流亡者[参见下文“来自外太空的第九行星” ]。
如果得到证实，太阳周围存在第九行星将大大收紧我们对我们奇怪的、被掏空的太阳系的理解的约束，对我们可能编织的解释其所有异常现象的理论施加新的限制。即使现在，天文学家们也在调集地球上一些最大的望远镜来热切地寻找这个假想的世界。它的发现可能标志着我们发现自己在宇宙中的位置的漫长而复杂的故事的倒数第二章，仅次于尚未写成的结论，即当我们最终发现围绕其他恒星运行的生命世界时。
就像DNA链一样，通过测序，揭示了人类在小星球表面上的古代迁徙故事，天文线索使我们的计算机模拟能够重建行星在太阳系数十亿年生命周期中雄伟的游荡。从它在汹涌的分子云中诞生，到它的第一批行星的形成，到大（At）袭击和尼斯模型的惊天动地的成长痛苦，再到生命和知觉在浩瀚的银河系中至少一个太阳周围的出现，我们太阳系的完整传记将是现代科学中最重大的成就之一——无疑也是有史以来最伟大的故事之一。
来自外太空的第九行星
新假设的“第九行星”是否符合关于太阳系起源的最新想法？
作者：Michael D. Lemonick
太阳系在遥远的过去被暴力改组的想法可能解释了柯伊伯带和环绕我们的奥尔特云的冰冷天体的存在、数十亿年前小行星对内行星的古代轰炸，以及所谓的超级地球的明显缺失，而其他太阳系中超级地球却很丰富。但现在行星科学家们有了新的难题要解决：一颗假想的行星，质量可能是地球质量的10倍，在冥王星之外的黑暗区域运行。如果它存在，这个暂定名为第九行星的世界的引力可能是少数已知的柯伊伯带天体沿着围绕太阳的可疑相似路径运行的原因。
但它也可能是太阳系早期历史中经历的剧烈变化的又一个线索。据估计，它与太阳的最小距离为305亿公里——是冥王星平均距离的五倍——这个巨大的世界不太可能在它现在的位置形成。根本没有足够的物质来建造它。“如果它在那里，”西南研究所的行星形成理论家哈罗德·F·莱维森说，“它最有可能形成在约五到二十个[日地距离]之间的区域，并被[与木星或土星的引力相互作用]向外散射。”
这一点是无可争议的。普林斯顿高等研究院的斯科特·特雷梅恩说，尤其是木星，质量非常大，“它不在乎散射的是彗星还是质量为地球10倍的行星。”然而，一旦它被踢出，行星就会倾向于继续前进，最终逃逸到星际空间。它会转而稳定在围绕太阳的轨道上的几率极低。莱维森说，从统计学上讲，你需要从50或100个开始才能得到一个——他认为这不太可能。
当然，如果天文学家真的通过望远镜发现了第九行星，那么可能性问题就变得毫无意义了。尽管如此，如此不可能的事情是如何发生的这个问题是理论家们必须努力解决的问题。“我的猜测，”特雷梅恩说，“是散射过程比标准模型会让我们相信的更有效率”——也就是说，比大家想象的更高比例的向外抛射物体设法留在太阳系内。
犹他大学的本·布罗姆利认为，这种情况发生的一种方式是，超级地球的散射发生在太阳系生命周期的早期，在形成行星的原行星盘中的气体消散之前。布罗姆利指出，如果超级地球的散射发生在该时期内，“行星可能会与气体相互作用，并在偏远地区稳定下来。”
或者，华盛顿特区卡内基科学研究所的理论家内森·凯布说，第九行星，如果它存在，可能不是来自我们太阳系。太阳不是单独形成的，而是在一个可能由数千颗恒星组成的星团中形成的，每颗恒星（最有可能）都有自己的行星系统。至少其中一些系统会经历它们自己的暴力改组，就像太阳可能做的那样抛射物体。“这些，”凯布说，“可以被我们自己的太阳捕获。”
最佳解释将取决于第九行星的轨道结果如何；它的支持者只计算了一系列可能性。如果它确实存在，科学家应该能够弄清楚它是如何到达现在的位置的。特雷梅恩说，关于第九行星是否符合当前关于早期太阳系的思考的答案，“绝对是‘可能’。”
Michael D. Lemonick 是大众科学的观点编辑。