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2013 年 7 月 25 日

太陽系的前世今生 (206):太陽系的形成和演化 ─ 行星遷移 (Planetary migration)

影像提供 : Modelu z Nice
文字提供 : 陳輝樺 (NMNS )  

說明 : 行星系統的形成過程 中,無論是吸積模式 (Accretion model) 初期 環繞恆星旋轉盤面上的塵埃微粒 透過非 重力 吸引布朗運動 (Brownian motion) 碰撞過程形成的 微行星 (Planetesimal),或是氣體塌縮模式 (Gas-collapse model) 初期塵埃微粒和氣體形成環繞恆星的 原行星旋轉盤面 (protoplanetary disk),它們在旋轉過程中彼此間的角動量 是如何互動的?根據大量的 觀測結果顯示 , 它們會憑藉角動量的轉移交換,使行星逐漸向內側螺旋移動、產生向內或向外軌道遷移現象 (Planetary migration) 。

           行星遷移現象產生的方式和行星的質量及所在距離恆星的位置有著密切的關聯。 在過於接近恆星的地方,因天體質量不足以形成行星、且溫度過高無法讓主要含岩石或冰的微行星存在。而質量與地球相當的行星, 會在周圍區域產生螺旋狀密度波,在螺旋密度波內側和行星軌道外側會因為密度差異發生不平衡現象, 較外圍的波會對行星施加比內側波更大的力矩,這會使行星失去軌道角動量,並且使行星在行星盤存在的數百萬年時間內向內遷移, 稱為「第一類型行星遷移」(Type I migration)。 至於,質量 (mass) 超過 10 倍 地球質量 的行星會清除盤內特定區域小天體形成縫隙,使 第一類型遷移終止,然而,仍會有物質持續進入縫隙,讓行星和其造成的縫隙在吸積盤存在期間向內移動,稱為「第二類型行星遷移」 (Type II migration)。

           另有一種現象導因於與巨大行星 (Giant Planets,如太陽系裡的 木星 土星 類木行星) 近距離接觸而被巨大行星重力散射而改變軌道,稱之為「重力散射」 (Gravitational scattering)。 海王星 (Neptune) 之外延伸到 庫柏帶 (Kuiper belt)、黃道離散天體 scattered disc objectsSDOs)和歐特雲 (Oort cloud),這三個稀疏的小冰狀天體群落被認為是絕大多數被觀測到的彗星的起源地。以它們離太陽的距離,在太陽星雲散離前聚集的速度太慢以至於不足以形成行星,所以最開始的星盤缺乏足夠的物質密度來形成行星。 那麼這些星體它們是怎麼來的呢? 在 太陽系 (Solar system)早期形成階段中,寡頭成長 (oligarchs) 的微行星體積遠小於 天王星 (Uranus) 和 海王星 (Neptune), 因此可能會被重力散射到庫柏帶歐特雲之間的遙遠地區中呈黃道離散天體,而更小的天體可能會被散射更遠而形成歐特雲。上列圖示模擬顯示外行星和庫柏帶的演化狀況,左圖是木星和土星軌道週期在 1 : 2 共振之前狀況。中央圖是海王星(深藍色 表示)軌道移動庫柏帶星體散射入太陽系內層。右圖是木星將微行星大量散射後狀況。

明日主題 : 太陽系的前世今生 (207):太陽系的形成和演化 ─ 後期重撞擊
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