摘要
太阳系的轨道结构被认为是由巨大行星之间的动力不稳定性所塑造的1，2，3.，4．然而，不稳定的触发因素和时间尚未明确确定5，6，7，8，9．流体动力学模型表明，当太阳的气态原行星盘存在时，巨行星在一系列共振中迁移到一个紧凑的轨道配置中2，10．在这里，我们使用动力学模拟来表明，巨大行星的不稳定性可能是由气体盘的分散引发的。当圆盘从内到外蒸发时，它的内缘依次扫过并动态地依次扰动每颗行星的轨道。相关的轨道位移导致了系统外部部分的动态压缩，最终引发了不稳定。我们模拟系统的最终轨道与太阳系的轨道相匹配，以获得一个可行的天体物理参数范围。因此，随着气体盘的消散，巨行星的不稳定性发生了，天文观测限制在太阳系诞生后的几千万年到1000万年11．类地行星的形成只有在如此早期的巨行星不稳定之后才会完成12，13；不断增长的类地行星甚至可能是被它的扰动雕刻出来的，这就解释了火星相对于地球的小质量14．
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数据可用性
支持本文中的图表和本研究的其他发现的数据可在https://github.com/bbliu-astro/solarsystem-rebound.git．
代码的可用性
本研究中使用的模型的源代码和仿真输出可根据相应作者的合理要求提供。HERMIT4的原始版本N-body代码可在Sverre Aarseth的主页上找到https://people.ast.cam.ac.uk/sverre/web/pages/nbody.htm．
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确认
该项目由浙江大学百人计划启动基金、中国国家自然科学基金(资助号:12173035和12111530175)、瑞典Walter Gyllenberg基金会和欧洲研究委员会(ERC巩固资助号:12111530175)资助。724687 - PLANETESYS)。snr感谢CNRS的PNP项目。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
S.N.R.和S.A.J.提出了这个想法，并发起了合作。B.L.检查了可行性并进行了数值模拟。snr起草了手稿。所有作者都对数值结果进行了分析和讨论，并对手稿进行了编辑和修改。
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
同行评审
同行评审信息
自然感谢Kleomenis Tsiganis和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。同行审查报告是可用的。
额外的信息
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
扩展数据图1我们模拟的子样本中幸存的行星系统的度量标准，与太阳系相匹配，可与图相比较2．
左边的模拟包含了反弹效应，而右边的模拟没有。每个模拟都是从我们现在的四颗巨大行星开始的。在顶部的面板中，巨行星最初被放置在一个3:2的轨道共振链中。在底部面板中，木星和土星最初处于2:1的共振中，而其他相邻的行星对则处于3:2的共振中。每个符号表示给定模拟的结果t= 10myr。颜色表示气体盘扩散开始后不稳定的时间;粉红系统没有经历不稳定(没有碰撞和/或弹射)。圆形和三角形分别对应有四颗和三颗或更少存活行星的系统。箭头表示系统的初始径向质量浓度。为了便于比较，太阳系被标记为红色恒星。
扩展数据图2我们模拟的子样本中幸存的行星系统的度量标准，与太阳系相匹配，可与图相比较2．
左边的模拟包含了反弹效应，而右边的模拟没有。每次模拟都以巨大行星以2:1的轨道共振链开始。在顶部面板中，我们最初只包含了四颗巨大的行星，但在底部面板中，我们在模拟开始时添加了一个额外的冰巨人。每个符号表示给定模拟的结果t= 10myr。颜色表示气体盘扩散开始后不稳定的时间;粉红系统没有经历不稳定(没有碰撞和/或弹射)。菱形、圆形和三角形分别对应有5颗、4颗和3颗或更少存活行星的系统。箭头表示系统的初始径向质量浓度。为了便于比较，太阳系被标记为红色恒星。
扩展数据图3我们模拟的子样本中幸存的行星系统的度量标准与太阳系相匹配，可与图相比较2．
左边和右边的面板都包含了反弹效应。每次模拟都从我们现在的四颗巨行星和另外两颗冰巨行星开始。在左边的面板上，巨大的行星处于3:2的轨道共振链中。在右边的面板上，木星和土星最初是2:1的共振，而其他相邻的行星对是3:2的共振。每个符号表示给定模拟的结果t= 10myr。颜色表示气体盘扩散开始后不稳定的时间;粉红系统没有经历不稳定(没有碰撞和/或弹射)。五边形、菱形、圆形和三角形分别对应有6颗、5颗、4颗和3颗或更少行星的系统。箭头表示系统的初始径向质量浓度。为了便于比较，太阳系被标记为红色恒星。
图4初始四颗行星作为圆盘参数的函数的回弹模拟结果:起始质量损失率、圆盘扩散时间尺度和内腔膨胀率。
每个模拟都以我们现在的四颗巨行星为起点，它们的轨道共振链为2:1(顶部面板)，轨道共振链为3:2(中间面板)，或者轨道共振链为2:1，轨道共振链为3:2(底部面板)。颜色条对应系统的角动量赤字(AMD)。带有灰色边缘颜色的圆圈指的是行星最终都存活下来的系统，而黑点代表太阳系类似物，定义为有四颗行星以正确的顺序存活下来的系统，它们的amd和rmc与我们的太阳系相比在三个因素之内。
扩展数据图5初始有5颗和6颗行星的回弹模拟结果作为圆盘参数的函数:起始质量损失率、圆盘扩散时间尺度和内腔膨胀率，与扩展数据图相当。4．
每个模拟都以我们的四颗今天的巨行星加上一颗额外的冰巨行星，以2:1的共振链(第一行)、3:2的共振链(第二行)或2:1和3:2的共振链(第三行)开始，或者以我们的四颗今天的巨行星加上另外两颗冰巨行星，以3:2的共振链(第四行)开始，或以2:1和3:2的共振链开始(第五行)。
扩展数据图6木星的偏心模式米55作为土星和木星周期比的函数，在有和没有行星盘的模拟中得到。
没有和有星子盘的模拟分别用三角形和圆形绘制，太阳系被标记为一颗恒星。这里只显示了以四颗行星结束的系统。
扩展数据图8太阳原行星盘的分散引发的早期动力不稳定性，假设该盘具有低粘度。
最初的系统由五颗巨行星组成:木星、土星和三颗冰巨星。这些曲线显示了每个天体的轨道演化，包括其半长轴(厚)、近日点和远日点(细)。黑色虚线是圆盘不断膨胀的内腔的边缘。我们没有跟踪整个富气盘阶段的早期演化，因此在模拟开始后，将盘扩散的开始时间任意设置为0.5 Myr。现今巨行星的半长轴和偏心率显示在右侧，垂直的直线从近日点延伸到远日点。硬盘型号为运行＿B5R＿P4其中，背板湍流强度(αt= 10−4)比图中所示的例子低50倍。1．其他磁盘参数包括:\({\点{M}} _ {{\ rm{越南河粉}}}\)= 1.1 × 10−11米⊙年−1，τd= 5.0 × 105年,vr= 42 AU Myr−1．
扩展数据图9三组不同模拟中延迟时间的累积分布。
在左边，到第一次不稳定的时间的累积分布，不管涉及哪些行星。在右边，当冰巨行星经历轨道不稳定(通常首先发生)和气体巨行星经历轨道不稳定之间的时间延迟的累积分布。黑色，蓝色和橙色曲线代表模拟运行＿B5R＿P0，运行＿B5R＿P2,运行＿B5R＿P4在扩展数据表2．
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刘B，雷蒙，S.N.和雅各布森，s.a。早期太阳系的不稳定性由气体盘的扩散引发。自然604， 643-646(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-04535-1
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DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04535-1
这篇文章被引用
太阳星云的耗散受到星子撞击和核心冷却的约束
自然天文学(2022)
