太阳系里最大规模的迁移，地球出现之前，行星都曾“流浪”过？

原行星盘的艺术想象图。图片来源：NASA，Pat Rawlings

太阳系中的行星似乎亘古不变地环绕着太阳，然而在几十亿年前，太阳系其实发生过剧烈的震荡，极大改变了行星的运行轨道。尼斯模型可以解释这次巨大迁移的原因，但最近一个新的猜测挑战了这个十七年前提出，今天已经成为主流的模型。

46亿年前，初始形成的太阳周围环绕着由密度较高的气体和尘埃组成的原行星盘，类地行星（水星、金星、地球和火星）和巨行星（木星、土星、天王星、海王星）逐渐在这个气体盘中形成。从上世纪末开始，科学家认为太阳系早期的巨行星是在紧凑而间隔均匀的轨道上形成的。然而观测表明，它们的轨道却稍微偏向于歪斜的椭圆，同时也较为分散。行星的轨道为什么会从均匀转向分散？这种迁移又是什么时候发生的？这是关乎太阳系形成过程的重要问题。

在1984年，科学家提出：原行星盘外围的微行星带与巨行星发生的碰撞可能是这一现象的原因。这些微行星先与最外围的海王星相撞，其中一部分被向外散射，大部分进入了天王星轨道内侧，海王星的轨道角动量增加而向外移动。这样的碰撞之后接连发生在天王星和土星上，也导致它们的轨道外移。对于更内侧的木星，射向它的微行星大部分被向外弹射，所以木星的轨道反而稍微向太阳靠拢了。

微行星盘推动行星轨道变化的简略示意图，图片来源：A. Morbidelli和H.F. Levison

这种现象被认为是“动态不稳定”所导致的。科学家认为，这样的不稳定或许是太阳系中行星轨道震荡的另一可能原因。在2005年，一个新的太阳系演化模型——尼斯模型（Nice model）将微行星盘的碰撞和动态不稳定两个因素合并成了一个连贯的理论。这一模型推测早期的太阳系中有第五颗巨行星的存在，但在原行星盘消散的几亿年后，这颗巨行星由于和木星之间的动态不稳定被弹出太阳系。同时，在海王星的轨道外一个大约20-30倍地球质量的微行星带导致了天王星和海王星的轨道外移。海王星的轨道逐渐接近这个微行星带的边缘，其他巨行星也分散到了现在的位置。

图片来源：AstroMark

尼斯模型对于巨行星和微行星带的模拟图像，深蓝色为海王星的轨道，浅蓝色为天王星的轨道。左一为木星和土星达到2:1共振前，模型预测天王星和海王星有50%的概率交换过位置；中间显示了海王星轨道的变动与微行星散射进太阳系；右一中海王星的轨道外移至微行星带的边缘。尼斯模型的动力学模拟结果为许多天文观测做出了解释，在过去十几年中受到了广泛认可。然而根据这一模型推测的时间，这种不稳定会破坏包括地球在内的，已经完全形成的类地行星。其他研究，包括阿波罗任务采集的月岩样本，也都表明行星的迁移可能是在更早的时候发生的。