近年来天文学家一直在努力完善我们对太阳系形成过程的理解。一方面有传统的星云假说认为太阳、行星以及太阳系中所有其他天体都是数十亿年前由星云物质形成的。然而天文学家们传统上认为，行星是在它们现在轨道上形成的，这已经被质疑了。
这已经受到像大头针模型这样的理论的挑战。这一理论表明，木星在形成后从原来的轨道上迁移，对太阳系内部产生了巨大的影响。而在最近的一项研究中，一个国际科学家小组又更进一步，提出火星实际上是在今天的小行星带中形成的，并随着时间的推移向太阳靠近。
这项名为“火星凉爽而遥远的形成”的研究最近发表在《地球与行星科学快报》上。该研究由东京理工学院地球生命科学研究所的拉蒙·布瑟斯领导，其中包括来自科罗拉多大学、匈牙利科学院和英国邓迪大学的成员。
地球和火星大小差异的合成图像。图片版权：NASA/Mars Exploration
研究小组讨论了传统的太阳系形成模型的一个最突出的问题。这是火星、地球和金星紧密结合在一起的假设，火星向外移动到目前的轨道。此外该理论认为火星——大约是地球的53%，只有地球的15%——本质上是一个行星胚胎，从来没有变成一个完整的岩态行星。
然而这与火星陨石上的大量元素和同位素研究相矛盾，这些研究发现了火星和地球之间的主要区别。正如Brasser和他的团队在他们的研究中指出的：这表明火星是在原生加积过程中形成的。因此很有可能火星永远比地球离太阳更远;它的生长发育迟缓，质量也相对较低。
为了验证这个假设，研究小组进行了与大头针模型一致的动态模拟。在这些模拟中，木星向太阳移动了大量的质量，向太阳系内部迁移，这对类地行星的形成和轨道特征产生了深远的影响(水星、金星、地球和火星)。
该理论还认为，这种迁移会将物质从火星上拉出来，从而考虑到构成的差异，以及与金星和地球相对较小的体积和质量。他们发现在模拟的一小部分中，火星在离太阳更远的地方形成，而木星的引力把火星推到了目前的轨道上。
大头针模型(顶部)与传统的关于太阳系内部形成的理论相比较。图片版权：Sean Raymond/planetplanet.net
由此，研究小组得出结论：要么是科学家缺乏解释火星形成的必要机制，要么是所有可能的可能性，这种统计上罕见的情况确实是正确的。正如科罗拉多大学地质科学教授、该研究报告的合著者斯蒂芬·莫杰兹(Stephen Mojzsis)最近在接受《天体生物学》杂志(Astrobiology)杂志采访时所指出的那样，这种情况实属罕见，但这并不意味着它不可信：如果有足够的时间可以期待这些事件。例如如果你掷骰子的次数足够多，最终会得到双六。概率是1 / 36或者和我们模拟火星形成的概率是一样的。
事实上，在宇宙学术语中，2%的概率(即他们从模拟中得到的概率)并不是很差。当一个人认为这样的可能性会使火星和地球上的表亲(即地球和金星)之间的关键区别得以实现时，这个微小的可能性似乎是可能的。然而火星在其历史进程中向内迁移的想法也带来了一些严重的影响。
首先，研究人员被要求解释火星是如何拥有更厚、更温暖的大气层的，这使得液态水可以存在于火星表面。如果火星实际上是在现代小行星带中形成的，那么它就会受到更少的太阳通量的影响，而且表面温度会比它在现在的位置上形成的温度要低得多。
科学家们通过测量从今天到43亿年前的水和HDO的比例来测量火星上的水流量。图片版权： Kevin Gill
如果火星在早期大气中有足够的二氧化碳，那么在后期的重轰滥炸中，可能会有可能出现间歇性的，液态水可能存在于地表。或者像他们解释的那样：模型显示除非一个内在volatile-rich火星拥有一个强大和可持续的温室的气氛,其平均表面温度是不懈0°C以下。这种寒冷的表面环境会受到早期撞击的影响，它们都重新启动了停滞不前的水文循环，并为火星地壳的早期生命提供了避难所。
基本上，虽然火星在其早期的生命周期中受到较少的太阳能量的影响，但它可能仍然足够温暖以支持其表面的液态水。正如Mojzsis在他去年合著的一篇论文中所指出的那样，它所接收到的许多轰炸(正如它的许多陨石坑所证明的那样)足以融化表面的冰，使大气变厚，并引发周期性的水循环。
这项研究的另一个有趣之处是它如何预测金星可能有一个与地球卫星系统相似的大体积成分(包括它的氧同位素)。根据他们的模拟，这是由于金星和地球总是共享相同的构造块，而地球和火星却没有。这些发现与最近基于地面的金星及其大气的红外观测相一致。
nasa - roscosmos venera - d任务概念的印象，其中包括一个金星飞行器和一个设计在金星表面生存几个小时的着陆器。图片版权：NASA/JPL-Caltech
当然，在获得金星的地壳样品之前，还不能得出明确的结论。如果提议的venera - dolgozhivuschaya(venera - d)任务——一项NASA / Roscomos计划将轨道飞行器和着陆器发射到金星的计划——将在未来10年发射，那么这一计划就可以实现。与此同时，在大头针模型和星云假说中还有其他有待解决的突出问题。
这包括太阳系的气体/冰巨行星如何在其当前位置形成，在小行星带之外的轨道上形成的想法似乎与早期太阳系的模型不一致，这表明没有足够的物质远离太阳。另一种选择是，它们更靠近太阳，并向外迁移。最近对太阳系外行星系统的研究证实了这一可能性。在太阳系外行星系统中，气态巨行星的轨道非常接近它们的恒星(即“热木星”)。
通过开普勒太空望远镜的直接观测和早期的研究了解到，巨大的行星迁移是行星系统的一个正常特征。巨大的行星形成引发了迁移，而迁移则是关于重力的，而这些世界在早期就影响了彼此的轨道。如果能从更远的地方观察宇宙，就会有一个好处，那就是它能让天文学家们找到更好更完整的太阳系如何形成的理论。随着我们对太阳系的探索不断增加，我们肯定会学到很多东西，这将有助于我们对其他恒星系统的理解。
知识：科学无国界，博科园-科学科普
参考：Astrobiology Magazine, Earth and Planetary Science Letters
作者：Matt Williams
内容：“博科园”判定符合今主流科学
来自：Universe Today
编译：中子星
审校：博科园
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