尼斯模型

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尼斯模型（Nice model，(icon NEESS）是一个太阳系动力演化理论。该理论以提出地，蔚蓝海岸天文台所在的法国城市尼斯命名。该模型的提出是为了解释太阳系中的类木行星在原行星盘内气体消散很久之后从原本排列紧凑的位置迁移到今日位置的机制，这个模型和先前其他太阳系形成的模型并不相同。这个模型的太阳系动力学模拟是用来解释太阳系内许多事件，其中包含了内太阳系的后期重轰炸期、奥尔特云的形成、太阳系小天体的分布，例如柯伊伯带，木星与海王星的特洛伊天体，以及大量被海王星重力影响的共振海王星外天体。这个模型因为许多对太阳系天体观测的结果符合其预测而获得成功，并且是近年最被广泛接受的太阳系早期演化模型；虽然它并没有被行星科学家普遍接受。该模型其中一个限制就是外行星的卫星和柯伊伯带（参见下文）。

## 发展历史

尼斯模型的原始核心来自于2005年时科学家罗德尼·戈麦斯、哈罗德·F·李维森、亚历山德罗·莫比德利 (天文学家)和克莱奥门尼斯·钦加尼斯发表在《自然》期刊的三篇论文。在这三篇论文中，四位作者提出在原始太阳系盘内的气体和尘埃消散以后，四颗类木行星（木星、土星、天王星和海王星）的原始轨道接近圆形，并且和太阳的距离在远比现在紧凑的5.5到17天文单位之间。一个巨大且充满小型岩石和冰块，总共35倍地球质量微行星的盘结构从最外围的类木行星延伸至35天文单位处。

科学家对于天王星和海王星形成过程所知甚少，因此李维森表示“...天王星和海王星形成的可能性几乎是无止尽的”。然而，行星系统形成的过程被认为是如下文所述。位于原行星盘内侧边界的微行星偶尔会因为和最外围的气体巨行星重力相遇而改变轨道。行星将靠近它们的小天体向太阳系内散射，并且交换角动量，使行星向外围移动以维持系统角动量守恒。这些微行星之后碰到其他行星也以类似机制被散射，并且使天王星、海王星和土星向外移动。尽管每次的动量改变程度相当小，但大量微行星长时间和行星交换角动量仍可使行星轨道大幅度改变（行星迁移）。这样的过程持续进行直到和最内侧且最巨大行星木星的交互作用为止，并且木星的巨大重力让微行星进入长椭圆形轨道，甚至离开太阳系。而这些过程让木星的位置稍微向内侧移动。

微行星主要因为低轨道遭遇率而离开行星盘，并且这对应于低迁移率。在持续数亿年的缓慢但渐进的迁移之后，最内侧的两颗巨行星木星和土星位于1：2轨道共振位置。轨道共振增加了轨道离心率，使整个行星系统变得不稳定。这时候大行星的位置变化则是戏剧性的快速。木星将土星推往现在的位置，并且这种位置改变作用将更外围的两颗巨冰行星天王星和海王星推往更高离心率的轨道。这两颗巨冰行星进入了微行星盘后将数万颗以上的微行星从原本的稳定轨道散射入太阳系更外围，几乎将整个原始微行星盘扰动，使99%的质量散失。以上情节可以解释今日海王星外天体缺乏紧密分布区域的现象。部分的微行星进入内太阳系，使类地行星上的撞击事件大幅增加，即所谓的后期重轰炸期。

最后，类木行星们到达了与目前轨道半长轴相当的轨道，并且和剩下的微行星盘内物质动态摩擦的结果使轨道离心率下降，让天王星和海王星轨道重新接近圆形。

钦加尼斯等人的初始模型中，海王星和天王星有50%的机会在10亿年内互换位置（太阳系年龄20%）。然而，这个结果只对应于原行星盘内特定质量分布，并且与行星特定质量相对应。

## 太阳系状况

以不同的初始条件下模拟太阳系演化动力模型将产生各种太阳系内天体分布状况。模型的初始条件是可以变化的，并且天体分布可以更多或更少，同时拥有特定轨道属性。证明早期演化的模型是很困难的，因为演化过程无法被直接观测到。然而，科学家可以借由比较模拟中的预测结果和实际天文观测的分布结果比较以确认是否为成功的动力学模型。今日太阳系的电脑模型中以尼斯模型初始条件者最能符合今日太阳系天体观测结果。

### 后期重轰炸期

在月球和其他类地行星表面的撞击坑纪录是后期重轰炸期（Late Heavy Bombardment，LHB）的部分证据：在大约太阳系形成6亿年后有大量撞击事件在短时间内发生。尼斯模型中撞击月球的微行星数量和后期重轰炸期中月球表面撞击坑数量一致。

### 特洛伊天体和小行星带

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当木星和土星轨道周期达到1:2共振后，公转轨道将会被扰动。巨行星受重力迁移效应的结合会使已存在于木星和海王星轨道上 L4 和 L5 拉格朗日点的特洛伊天体变得不稳定。在这段时间中特洛伊天体共轨区域状态是“动力学开放”。在尼斯模型中，离开了被扰动盘面的微行星大量通过拉格朗日点区域并短暂停留。在轨道不稳定时期结束以后，前述区域变成“动力学封闭”状态，被捕获的微行星就成为现在的特洛伊天体。今日的特洛伊天体就是来自于不稳定时期从原始小行星带散射进入该区域被捕获的。模拟的特洛伊天体分布在振动角、轨道离心率和高轨道倾角都和木星特洛伊的状态相符合，而先前对轨道倾角的部分并不了解。

而海王星特洛伊在尼斯模型中的形成机制与木星特洛伊类似。

大量微行星可能也会在小行星带外围距离太阳稍大于2.6天文单位处被捕获，也就是现在的希尔达族小行星分布位置。这些被捕获的天体可能接着会因为受到撞击造成表面被侵蚀，使这些天体的体积更小；之后就可能会受到太阳风或YORP效应影响。根据威廉·波特克等人的研究，超过90%的小天体都会被移除。伴随这些侵蚀进行的体积频率分布模拟结果良好地符合观测结果，这代表木星特洛伊、希尔达族小行星和其他小行星带较外侧天体，例如所有D-型小行星都被认为是被捕获且受到撞击侵蚀的残余微行星，而矮行星谷神星可能也是这样形成的。

### 外行星卫星系统

经由吸积盘的拖曳或撞击等传统机制而被捕获的最原始不规则卫星会在整个系统不稳定且和行星交互作用期间散失。在尼斯模型中，有大量的微行星会和外行星产生交互作用，并且有部分会在和行星间发生三体作用时被捕获。而微行星被巨冰行星捕获的几率相对较高，大约稍高于10−7。这些新的卫星可以在几乎所有角度上被捕获，所以和土星、天王星和海王星的规则卫星不同的是，它们的轨道面并不在行星的赤道面附近。海王星最大卫星海卫一就被认为是在三体作用期间双小行星系统被扰动后，其中一个较小的小行星被捕获，成为海王星卫星。然而，这样的双小行星扰动机制也许无法产生大量的小型不规则卫星。部分行星间甚至可能发生过不规则卫星交换事件。

模拟的不规则卫星轨道结果相当符合不规则小行星轨道半长轴、轨道倾角和离心率等观测结果，但在体积分布上并不符合。后续发生的这些被捕获小天体之间互相撞击可能产生了今日所观测到的碰撞家族。这些撞击事件也会使微行星体积变小。

目前在木星系统的模拟中没有够多的交互作用可以解释木星的不规则卫星系统形成机制，也许可能有第二个机制或者是必须更新尼斯模型的参数。

### 柯伊伯带的形成

外行星的迁移也必须考虑到对太阳系最外围区域天体的影响。最初，柯伊伯带内天体分布密度远高于现在，并且更靠近太阳。原始柯伊伯带的最外缘大约距离太阳30天文单位，而内缘就刚好在形成时比今日更靠近太阳的天王星和海王星轨道之外（约15到20天文单位），并且当时天王星比海王星更远离太阳。

包含冥王星在内的部分离散盘天体因为被海王星重力束缚而和海王星轨道周期共振。尼斯模型可以良好解释柯伊伯带内的共振海王星外天体，由其是2:5共振天体。当冥王星向外迁移时也接近原柯伊伯带，将一些小天体捕获在共振轨道上，并且有些天体进入混沌轨道。一般认为今日离散盘内天体位置是和海王星迁移轨道共振作用的结果。

然而，尼斯模型仍然没有考虑到柯伊伯带天体内的一些分布特性。虽然尼斯模型能模拟传统古柏带天体中轨道倾角较高的“热分布”和较低倾角的“冷分布”天体，模型中的平均轨道离心率（0.10-0.13）仍高于实际观测值（0.07）。

这两个不同分布群不只是轨道不同，表面颜色也有差异。冷分布天体的颜色较热分布偏红，因此这两个区域内天体被认为是在不同区域内由不同物质组成。热分布天体被认为是在木星附近形成，并且和巨行星因为交换角动量而被抛出。而冷分布天体原本被认为是在比今日距离更近或更远，但尼斯模型结果则显示它是在海王星迁移时被扫到更外为区域，让海王星轨道短时间内离心率高于今日。尼斯模型可以部分解释冷分布天体内的颜色差异，而冷分布区域的模拟结果仍显示形成于距离太阳较热分布天体远的地方。不过仍无法解释在冷分布区域完全没有外观是灰色天体的原因。目前的解释是天体的颜色差异可能至少部分原因是表面演化过程的结果，而并非完全是原始组成物质差异。

目前尼斯模型对于解释双古柏带天体的分布频率仍有困难，而系统中天体大多相互距离相当远，并且是松散的结合。

### 离散盘与奥尔特云

被木星散射的天体进入长椭圆形轨道而形成奥尔特云，而海王星迁移时散射程度较低的天体则形成了目前的柯伊伯带和离散盘。

## 五颗行星的尼斯模型

冰巨星木星的频繁弹射导致大卫尼斯沃尼和其他人假设早期太阳系有五颗巨型行星，而其中一颗在不稳定期间被逐出了。在最近的一项工作中，这个五颗行星的尼斯模型开始于3:2、3:2、2:1、3:2的巨型行星谐振链与在外环绕着它们的微行星盘。随着共振链的断裂，海王星首度向外迁徙，在28天文单位处开始与微行星盘遭遇。最初的迁移减少了外部盘面的质量，使木星的离心率维持着，并产生一个带有倾斜分布的古柏带，这与迁徙开始时如果有20个地球质量存在于微行星盘的观测吻合。海王星因为在不稳定期间只有与冰巨星遭遇，因此它的离心率可以维持在很小，使它可以保留在原本的冰冷传统带。低质量的微行星带，加上受到冥王星质量天体激发的倾斜和离心率，也有效的减少了土星内侧卫星的冰损失。结合晚期共振链的断裂和海王星迁移至28天文单位，在不稳定之前是不能与尼斯2模型结合。这个空隙可能被早期逃离共振，跨越数百万年的缓慢尘埃驱动迁徙来联结。最近的一项研究发现，五行星的尼斯模型在统计学上有再形成地球型行星的小概率。然而，这意味着不稳定发生在地球型行星形成之前，并且不可能是后期重轰炸期的来源，早期不稳定的优势是相当大的减少了木星和土星的半长轴的变动，维持了小行星带。

## 外部链接

- Animation of the Nice model
- Solving solar system quandaries is simple: Just flip-flop the position of Uranus and Neptune