为什么天王星总是在侧着身子绕太阳旋转?

在《自然》杂志的三篇文章中，莱维森（H. F. Levison）及其同事提出，木星、土星、天王星和海王星的轨道都发生了重要的改变。他们认为，目前巨行星的轨道偏心率和轨道倾角都比行星形成理论预言的大得多——这预示了在巨行星形成的过程中有一些机制改变了它们的轨道。
　　在第一篇文章（第459页）中，希格尼斯（Tsiganis）等人认为，木星和土星穿过1:2平运动共振带可以解释四颗巨行星的空间位置、轨道偏心率和轨道倾角。平运动共振是太阳系中的“最佳位置”，在那里两个天体的轨道周期呈简单整数比，同时这里也是行星的周期性摄动激发另一个天体的轨道偏心率和轨道倾角的地方。因此木星和土星的1:2平运动共振就是土星绕太阳一周而木星绕太阳两周的情况。文章的作者发现，木星和土星穿过这一共振带时会激发它们的轨道偏心率和轨道倾角达到目前的值。但是木星和土星目前却远离1:2共振——目前的轨道周期比大约是1:2.5——因此这暗示了木星和土星已经穿过了1:2共振的位置进入了目前的位置。这是一个与众不同的观点，因为我们通常认为行星的轨道是非常稳定的，随着时间仅有微小的变化。

　　然而，有充足的理由让我们相信，在太阳系的早期巨行星的轨道确实经历了一次显著的改变。行星迁移的最佳证据来自柯伊伯带，这是一群位于海王星轨道之外的彗星状小天体。其中一些天体的椭圆轨道正好位于与海王星发生3:2平运动共振的地方。但是这些天体不太可能形成于如此不同寻常的轨道中；相反，流行的观点认为，在太阳系的早期，海王星向外迁移时将它们引力俘获到了共振带中。

　　不过，是什么造成了行星轨道迁移的呢？在行星形成阶段的早期，行星际空间充满了大量的星子，它们还没有被刚形成的行星吸积。但是，当巨行星达到它们最终的大小之后，它们的巨大质量使得它们可以非常有效的散射这些星子。相应的，行星和星子间的相互作用会导致行星轨道的迁移。在希格尼斯等人的模型中，当海王星被土星的引力散射到一条更遥远、轨道偏心率更大的轨道之后，它的轨道扩张了一倍。海王星与星子间的引力相互作用使得它的轨道逐渐变圆并且缓慢地向外迁移。然而，这样的轨道演化需要大量的星子——大约是海王星质量的两倍，所有这些星子都必须被迁移的行星散射出太阳系。因此，行星形成是一个杂乱而低效的过程。

　　希格尼斯等人提出的模型在一定程度上是可行的，它确实把巨行星的轨道偏心率和轨道倾角激发到了要求的值。但是值得注意的是，即使数值模拟的结果与现实完美地吻合，也无法证明数值模拟中的过程就真的发生过。相反，巨行星的轨道偏心率和轨道倾角也可能是另一种机制所造成的——由早期太阳系中曾经迁移的原行星的引力摄动所造成。事实上，天王星巨大的自转轴倾角（98°）通常被解释成与地球大小原行星碰撞的结果。但是这一模型还是值得相信的，因为它不像其他的理论至少经过了严格的检验。