太阳系形成后不久就获得了当前配置
巴西研究人员开发的模型显示出混沌阶段，该阶段将天体放置在当前轨道上，此轨道始于巨型行星形成后的前一亿年之内。图片：NASA
关于太阳系起源于巨大的气体和尘埃云的假说最早是在18世纪下半叶由德国哲学家伊曼纽尔·康德（Immanuel Kant）提出，并由法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon de Laplace）进一步发展。现在，这已经是天文学家之间的共识。由于现在已有大量的观测数据、理论和计算资源，它一直在不断完善，但这并不是一个线性过程。
也不是没有争议。直到最近，太阳系还被认为是由形成后约7亿年的湍流而获得当前特征的。但是，一些最新研究表明，它是在更遥远的过去，最初的1亿年的某个阶段形成的。
由三名巴西研究人员进行的研究为这种较早的结构提供了有力的证据。该研究得到了圣保罗研究基金会FAPESP的支持，该研究发表在《伊卡洛斯》杂志上。作者均隶属于巴西圣保罗州立大学工程学院（FEG-UNESP）。
研究负责人是拉斐尔·里贝罗·德·索萨（Rafael Ribeiro de Sousa）。其他两位作者是该研究的主要研究者安德烈·伊齐多罗·费雷拉·达·科斯特（AndréIzidoro Ferreira da Costa）和埃内斯托·维埃拉·内托（Ernesto Vieira Neto）。
里贝罗说：“从对太阳系的详细观测中获得的大量数据使我们能够精确地定义绕太阳公转的许多物体的轨迹。这种轨道结构使我们能够写出太阳系形成的历史。大约46亿年前，围绕着太阳的气体和尘埃云出现了巨大的行星，它们在轨道中形成得彼此更近，并且也更靠近太阳。轨道也比现在更共面、更圆，并且在共振动力系统中相互连接。这些稳定的系统最有可能是气态原行星盘形成的行星引力动力学的结果。”
伊齐多罗提供了更多细节：“木星、土星、天王星和海王星这四个巨行星是从气体和尘埃云中以更紧凑的轨道出现的，”他说。“由于共振链，它们的运动强烈同步，木星完成了绕太阳的三转，而土星完成了两转。所有行星都参与了原始气体盘动力学和行星的引力动力学产生的这种同步性。”
但是，在整个外部太阳系的形成区域（包括位于天王星和海王星当前轨道以外的区域）中，太阳系拥有大量的小行星、小小的岩石和冰块，它们被认为是行星、小行星、彗星和卫星的前身。
外行星盘开始扰乱系统的重力平衡。在气相之后，共振被破坏了，系统进入了一个混乱的时期，在这个时期中，巨大的行星剧烈地相互作用，并将物质喷射到太空中。
里贝罗说：“冥王星及其冰冷的邻居被推入了他们现在所处的柯伊伯带，整个行星迁移到了离太阳更远的轨道上。”
柯伊伯带的存在是由荷兰天文学家杰拉德·柯伊伯（Gerard Kuiper）于1951年提出的，后来被天文学观测所证实，它是一个环形的（甜甜圈形）结构，由成千上万的绕太阳运行的小物体组成。
在太阳系的任何其他部分都看不到它们轨道的多样性。柯伊伯带的内边缘始于海王星的轨道，距太阳约30天文单位（AU）。外边缘距太阳约50AU。一个AU大约等于地球到太阳的平均距离。
回到同步性的破坏和混乱阶段的开始，问题是什么时候发生的。是在太阳系开始的早期，那时它只有一亿年或更短的历史，或者更晚的时候，行星形成之后大约七亿年？
里贝罗说：“直到最近，后期的不稳定假设仍占主导地位。由阿波罗宇航员带回的月球岩石的日期表明，它们是由小行星和彗星同时撞击月球表面所创造的。这种大灾难被称为月球的“晚期重轰炸”。如果它发生在月球上，大概也发生在地球和太阳系的其他地球行星上。因为在行星不稳定时期，小行星和彗星形式的大量物质被投射到太阳系的各个方向，所以从月球岩石上可以推断出这个混沌时期发生得很晚，但是近年来，这个月球 “晚期轰炸”的想法已经失宠了。
里贝罗认为，如果发生了后来的混乱灾难，那将摧毁地球和其他岩石行星，或者至少造成干扰，使它们与我们现在所观察到的轨道完全不同。
此外，发现阿波罗宇航员带回的月球岩石是一次撞击产生的。如果它们起源于晚期巨型行星的不稳定性时期，那么鉴于巨型行星对小行星的散射，将有若干影响的证据。
“我们研究的出发点是应该对不稳定性进行动态测年。只有在气体耗尽后，小行星盘的内边缘与海王星轨道之间的距离相对较大时，这种不稳定性才能稍后发生。这种相对较大的距离在我们的仿真中证明是不可持续的。”里贝罗说。
该论点基于一个简单的前提：海王星与小行星盘之间的距离越短，引力影响越大，因此不稳定时期越早。相反，以后的不稳定需要更大的距离。
“我们所做的是第一次雕刻原始行星盘。为此，我们必须回到冰巨星天王星和海王星的形成。基于2015年伊齐多罗教授构建的模型的计算机模拟，里贝罗说：“天王星和海王星的形成可能起源于具有数个地球质量的行星胚胎。例如，这些超级行星的大规模碰撞可以解释为什么天王星会在其侧面旋转。北极和南极位于侧面，而不是顶部和底部。
先前的研究指出了海王星轨道与小行星盘内边界之间距离的重要性，但他们使用的模型已经形成了四个巨型行星。
“这项最新研究的新颖之处在于，该模型并不是从完全形成的行星开始的。相反，天王星和海王星仍处于生长阶段，其增长动力是涉及最多五个地球质量的物体的两到三次碰撞。”伊齐多罗说。
“想象一下形成木星和土星的情况，但是我们有五到十个超级行星，而不是只有天王星和海王星。超级行星是由气体强迫与木星和土星同步的，但是数量众多，它们的同步性会波动，它们最终发生碰撞，碰撞减少了数量，使同步成为可能。最终，天王星和海王星被遗弃了，当两个冰巨星在气体中形成时，行星小行星盘被消耗了。天王星和海王星，其中一部分被推进到太阳系的郊区，因此天王星和海王星的生长确定了小行星盘内边界的位置，现在盘中剩下的就是柯伊伯带。基本上是原始行星盘的遗物，它们曾经大得多。”
所提出的模型与巨型行星的当前轨道以及在柯伊伯带观测到的结构是一致的。这也与特洛伊群小行星的运动相吻合。特洛伊群是一群共享木星轨道的小行星，它们大概是在同步性破坏期间被捕获的。
根据伊齐多罗在2017年发表的一篇论文，木星和土星仍在编队中，它们的生长促进了小行星带的位移。最新论文是一种延续，从木星和土星完全形成但仍保持同步的阶段开始，并描述了太阳系的演化。
“巨型行星之间的引力相互作用在气体行星盘中产生扰动，并以波的形式传播。波浪产生了紧凑而同步的行星系统。当气体耗尽时，行星和小行星盘之间的相互作用破坏了同步性，并导致了混沌相。考虑到所有这些因素，我们发现根本不存在使海王星轨道与小行星盘内边界之间的距离变得足够大以支撑后期不稳定性假设的条件。这是我们研究的主要贡献，它表明不稳定发生在前一亿年，并且可能发生在例如地球和月球形成之前。”里贝罗说。