太阳系行星如何形成的问题由来已久，科学家普遍认为地球和其他类地行星是在太阳系气体盘消散后，通过许多火星大小天体和星子的剧烈碰撞逐步形成的。然而，近年来对年轻太阳系外行星的观测正在改变这一传统认识：许多行星实际上在气体盘仍存在时就已经形成。年轻行星在气体盘中早期形成时，由于轨道迁移，常常与周边其他行星一起进入所谓的轨道共振状态，即它们的运行周期呈整数比。这种共振链结构是高度稳定的，在木星的伽利略卫星系统中至今仍可见。而著名的TRAPPIST-1系外行星系统中，七颗地球大小的行星也构成了一条紧密的共振链。
图1：太阳系行星诞生以及演化示意图。 双头箭头表示的是其右边行星与左边行星的轨道周期比。
近日，由清华大学领导的国际团队，首次将这一思路应用于我们自己太阳系的类地行星上。他们在最新研究中提出，地球和其他类地行星——包括与地球碰撞、形成月球的忒伊亚（Theia）——可能在太阳星云时期就处于共振链中，即这些行星在太阳系诞生初期就排排坐地运行在共振轨道上。
然而，这种早期的有序结构并未持续太久。模拟结果显示，木星及其他气态巨行星的引力干扰最终打破了类地行星的稳定性（见图1和图2），从而在距太阳系诞生约1千万到1亿年间，触发了地球与忒伊亚的碰撞，形成了当今的地月系统。研究显示，这一碰撞事件在20%到50%的模拟中都能自然发生，具体比例取决于初始的类地行星轨道结构。
模拟结果显示，碰撞后的行星轨道与目前太阳系中的结构高度一致，而月球形成的时间也与同位素测龄结果相符。值得一提的是，该模型完美复现了火星和金星目前3.05的周期比，这也是早期共振链破裂的证据之一。在传统模型中，这一轨道条件的形成需要多次剧烈撞击和人为阻尼机制、微调参数。相比之下，该新模型中仅需一次关键性碰撞（即月球形成事件），行星轨道演化过程更加平稳，最终结果也更接近当前的动力学状态。
研究还提出一个有趣预测：金星的地幔可能至今仍保留原始成分。或许可以通过未来的金星样本返回任务，分析金星地幔的同位素组成，从而检验这一理论。研究团队未来希望将这一动力学模型拓展到更多系外行星系统中。已有观测显示，年轻的系外行星系统往往最初处于共振链结构中，而后可能经历共振破裂的演化过程——就像太阳系类地行星一样。如果这一趋势普遍存在，那么太阳系在宇宙中或许并没有那么“特殊”。
该研究成果已被《天体物理学杂志》接收。项目由清华大学与莱顿大学联合培养在读博士黄硕领衔完成，合作者包括清华大学副教授Chris Ormel，莱顿大学教授Simon Portegies Zwart，日本国立天文台研究员Eiichiro Kokubo，以及清华大学在读博士易天。
文章链接：https://arxiv.org/abs/2506.04164
图2：太阳系行星的动力学演化模拟。自下而上依次为金星（V）、地球（E）、忒伊亚（Theia，T）、火星（M）、木星（J）和土星（S）。最右侧的误差棒表示在长期演化过程中，太阳系各行星轨道的半长轴变化范围：中值对应平均轨道半长轴，低值与高值分别表示近日点与远日点位置。
