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太陽(yáng)星云假說(shuō)

 政二街 2017-11-27
    太陽(yáng)星云相信是讓地球所在的太陽(yáng)系形成的氣體云氣,,這個(gè)星云假說(shuō)最早是在1734年由斯威登堡提出的,。在1755年,熟知斯威登堡工作的康德將理論做了更進(jìn)一步的開(kāi)發(fā),,他認(rèn)為在星云慢慢的旋轉(zhuǎn)下,,由于引力的作用云氣逐漸坍塌和漸漸變得扁平,最后形成恒星和行星,,拉普拉斯在1796年也提出了相同的模型,,這些可以被認(rèn)為是早期的宇宙論。

      當(dāng)初僅適用于我們太陽(yáng)系的形成理論,,在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了超過(guò)200個(gè)外太陽(yáng)系之后,,理論學(xué)家認(rèn)為這個(gè)理論應(yīng)該要能適用整個(gè)宇宙中的行星形成。

      假說(shuō)主張一個(gè)行星系統(tǒng)原始的型態(tài)應(yīng)該是一個(gè)巨大的(典型的直徑應(yīng)該有~10,000天文單位),,由非常低溫的星際氣體和一部分巨大的分子云組成,,大致成球形的云氣。這樣的一個(gè)星云一旦有足夠的密度,,在本身的重力作用下便會(huì)開(kāi)始收縮,也可能經(jīng)由鄰近區(qū)域產(chǎn)生的重力波(像是超新星造成的震波)壓迫了分子云,,造成重力塌縮的開(kāi)始,。星云的成分將反映在形成的恒星上,像我們太陽(yáng)系的星云相信是由98%來(lái)自大爆炸的氫和氦(以質(zhì)量計(jì)算),,以及2%來(lái)自早期死亡的恒星拋回星際空間的重元素組成,。重元素所占的比例就是所謂的星云的金屬性。在統(tǒng)計(jì)上,,金屬性高的恒星(也就是在金屬含量較高的星云中形成的恒星)較有可能誕生行星,。一旦開(kāi)始,太陽(yáng)星云的收縮就會(huì)慢慢的,、但無(wú)可避免的加速,。

  在塌縮中,有三種物理過(guò)程會(huì)塑造星云,,溫度上升,、自轉(zhuǎn)加速和平坦化。溫度的上升是因?yàn)樵蛹铀傧蛑行牡袈洳⑸钊胫亓?,并變得更為緊密,,碰撞更為頻繁,重力位能被轉(zhuǎn)換成動(dòng)能或是熱能。其次,,即使當(dāng)初極為細(xì)微的,,太陽(yáng)星云只要有一點(diǎn)點(diǎn)的凈自轉(zhuǎn)(角動(dòng)量),會(huì)因?yàn)榻莿?dòng)量的守恒,,星云的尺寸縮小時(shí)就必需轉(zhuǎn)得更快,。最后,星云必須成為扁平的盤(pán)狀,,稱為原行星盤(pán),,是因?yàn)楫?dāng)氣體的小滴碰撞和合并時(shí),它們運(yùn)動(dòng)的平均值傾向于凈角動(dòng)量的方向,。

  對(duì)八塊不同年代,,但都在太陽(yáng)系形成的最初三百萬(wàn)年內(nèi)的隕石所做的地質(zhì)分析顯示,大約在太陽(yáng)形成的一百萬(wàn)至二百萬(wàn)年,,太陽(yáng)系曾經(jīng)遭受鐵-60的轟擊,,其來(lái)源可能是和太陽(yáng)在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)誕生,但短命的巨型恒星成為超新星所導(dǎo)致的,。

  一個(gè)密度不斷增加的原恒星會(huì)累積成為太陽(yáng)星云的重心,。在行星在盤(pán)中形成的過(guò)程中,原恒星會(huì)持續(xù)的繼續(xù)變得更為緊密,,直到一千萬(wàn)至五千萬(wàn)年后,,它最后終于達(dá)到核融合所需要的溫度和壓力,這時(shí)恒星就誕生,。一顆這樣的年輕恒星(金牛T星)所發(fā)出恒星風(fēng),,比形成恒星的力量強(qiáng)大許多,最后將會(huì)吹散掉落剩余在行星盤(pán)的氣體,,并且結(jié)束主要的吸積過(guò)程(特別是氣體巨星的),。像在恒星生命中的許多過(guò)程,在原恒星階段所花費(fèi)的時(shí)間也取決于質(zhì)量,,質(zhì)量越大塌縮的越快,。

  在原行星盤(pán)的氣體,同時(shí)間內(nèi),,從重力崩潰中心的熱化中,,當(dāng)溫度逐漸降低,塵粒(金屬和硅化物),、冰(含氫的,,像水、甲烷和氨)和顆粒從氣體中被凝聚出來(lái)(固化),。這些顆粒在相互間輕柔的碰撞和靜電的作用下,,開(kāi)始增生的程序,。氣體的原子和分子的量雖然豐富,但因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)的快速使得靜電不足以約束它們的行動(dòng),,因此不會(huì)增生,。在盤(pán)中占有98%質(zhì)量的氫和氦,在太陽(yáng)星云中仍是不能凝聚的氣體,。

  在盤(pán)中的固體成分是以原先存在于星云中的微塵粒為種子形成的,,這些星際介質(zhì)中的顆粒直徑通常都小于一微米,但經(jīng)由在原行星盤(pán)中的碰撞,,它們的大小可以增長(zhǎng)成微行星(照字義講是非常小的行星),。這些塵粒最初散布在整個(gè)盤(pán)內(nèi),但預(yù)期會(huì)如下雨般的集中在盤(pán)的中段,,就如同當(dāng)初分子云因重力塌縮而形成盤(pán)狀,,所以這些顆粒沉降在盤(pán)面的中段,但因?yàn)闆](méi)有丟失角動(dòng)量,,所以不會(huì)沿著徑向朝原恒星的方向移動(dòng),。不同大小的顆粒,以不同的速度落下,,沿途也會(huì)搜集更多的塵粒,。在隨機(jī)的任意增長(zhǎng)下,比例上,,較大的塵粒增長(zhǎng)的也較快,;這樣的狀況也使得表面積越大的塵粒越容易和其它的塵粒遭遇和結(jié)合。數(shù)量龐大且蓬松的塵粒,,也能對(duì)氣體產(chǎn)生阻擋與吸附的功能,。這也可能在行星形成之前,讓固體無(wú)須聚集在新形成的恒星上,。高速的撞擊也可能打碎形成的維行星,這意味著塵粒和微行星是可以互相轉(zhuǎn)換的,。在盤(pán)面上湍流在這些碰撞中扮演一種角色,,如果湍流太強(qiáng)烈,落向中間平面的雨滴會(huì)受到阻礙,,同時(shí)在微粒間破壞性的碰撞也會(huì)很普遍,。一旦微行星的數(shù)量變得充足且夠大,它們的重力會(huì)幫助更多的顆粒凝聚,。強(qiáng)烈的湍流也許會(huì)妨礙重力引起的凝聚,,導(dǎo)致成長(zhǎng)只能經(jīng)由兩顆的互撞。然而,,如果顆粒要長(zhǎng)成大約1公里大小的微行星,,必須要?dú)v時(shí)大約10,000年。

  因?yàn)槲⑿行堑臄?shù)量眾多,并且散布在原行星盤(pán)中,,就有許多可能發(fā)展成行星系統(tǒng),。小行星被認(rèn)為是剩余的微行星,彼此間逐漸磨損成越來(lái)越小的碎片,,同時(shí),,彗星則是在行星系中距離較遠(yuǎn)的是微行星。隕石是落到行星表面的微形星樣品,,并且提供許多太陽(yáng)系形成的信息,。原始型態(tài)的隕石體是被撞碎的低質(zhì)量微行星的大片碎塊,沒(méi)有因?yàn)橹亓Χl(fā)生分化,;同時(shí),,分化過(guò)的隕石體則是質(zhì)量較大的微行星被撞擊后的大片碎塊。只有最大的那些微行星能在遭受到低質(zhì)量微行星的撞擊后還能夠繼續(xù)的成長(zhǎng),。

  當(dāng)微行星成長(zhǎng)時(shí),,它們的數(shù)量逐漸減少,碰撞的頻率也會(huì)降低,。由于自然成長(zhǎng)的隨機(jī)性,,使得微行星成長(zhǎng)的速率各自不同,而有些會(huì)成長(zhǎng)的比其他的都大,。當(dāng)微行星繞著新生的恒星轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),,動(dòng)態(tài)摩擦使得微行星的動(dòng)能(動(dòng)量)保持著平均的分布,因此最巨大的運(yùn)動(dòng)的速度也最慢,,軌道也趨近于圓形,;而較小的微行星運(yùn)動(dòng)的速度較快,軌道的扁率也較大,。值得注意的是,,運(yùn)動(dòng)越遲緩的天體有越大的碰撞截面積,重力則可以提高一顆微行星攔截到另一顆微行星的半徑,。必然的,,越大越慢的微行星能更加有效的兼并周圍共同成長(zhǎng)中的微行星;而速度較快,、質(zhì)量較低的微行星就難以繼續(xù)成長(zhǎng),,這迅速的導(dǎo)致逃離過(guò)程,在盤(pán)內(nèi)每一個(gè)區(qū)域中最大的微行星將成為各區(qū)的主宰,,會(huì)比微行星海中其他的成長(zhǎng)的更快,。這些大質(zhì)量的個(gè)體完全的掌握在盤(pán)中的固體物質(zhì),稱為寡頭執(zhí)政,,意味著少數(shù)規(guī)則,;這種過(guò)程稱為寡頭成長(zhǎng),。這些少數(shù)的微行星在大小上迅速的增加,在寡頭成長(zhǎng)開(kāi)始前,,已經(jīng)有數(shù)十公里的直徑,,將成長(zhǎng)到幾百公里,最終可以到數(shù)千公里的直徑,。

  寡頭成長(zhǎng)的過(guò)程會(huì)自我設(shè)限,,每一個(gè)寡頭都有固定的哺養(yǎng)區(qū)(取決于他的碰撞截面積),一但所有共同成長(zhǎng)的微行星都被吸附,,就不會(huì)再繼續(xù)成長(zhǎng),。令人半信半疑的是這些區(qū)域的大小是否有足夠的固體,能夠讓寡頭者成長(zhǎng)到類地行星的大小,,因?yàn)槔碚撋线@些區(qū)域的微行星只能讓寡頭者成長(zhǎng)到數(shù)百公里的大小,。然而,可能是湍流再次起了作用,,因?yàn)樗軌蛟黾踊驕p少微行星的角動(dòng)量,,提供任何形式的徑向運(yùn)動(dòng)組合,這或許能穩(wěn)定的提供新的材料給哺養(yǎng)區(qū),,讓寡頭者能繼續(xù)的成長(zhǎng),。

  無(wú)論寡頭者是如何的繼續(xù)成長(zhǎng),它們?cè)冢ㄔ趦鼋Y(jié)線的內(nèi)側(cè))一百萬(wàn)年內(nèi)可以達(dá)到的典型大小是0.51個(gè)地球質(zhì)量上下,,已經(jīng)大到足夠被稱為原行星,。因?yàn)橛懈呙芏鹊墓腆w物質(zhì)可以利用,在盤(pán)的外側(cè)可以生長(zhǎng)得更大,。在類地行星的區(qū)域內(nèi)可能有幾打的寡頭者彼此遠(yuǎn)離的散布著,,在動(dòng)態(tài)性的隔離下,即使經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年或數(shù)千萬(wàn)年也不會(huì)碰撞在一起,。

  在原行星盤(pán)內(nèi)的溫度是不一致的,,并且這是了解地球型和木星型行星之間分化的鑰匙。在凍結(jié)線內(nèi)側(cè)的溫度太高(超過(guò)150K)使氫化物不能凝聚,,它們?nèi)匀槐3謿怏w狀態(tài),。能夠被堆積的只有金屬和硅酸鹽類的塵粒。因此在這個(gè)區(qū)域的微行星整個(gè)都由巖石和金屬組成,,例如小行星,并且組成類地行星,。

  在凍結(jié)線的外側(cè),,由氫組成的水、甲烷和氨都能夠凝固成固體,,成為''的顆粒并且堆積起來(lái),。巖石和金屬的塵粒依然可以利用,,但氫化物的數(shù)量更為豐富,不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過(guò),,而且隨處都是,。因此在這一區(qū)域的微行星以冰為主體,而僅有少量的金屬與巖石在內(nèi),。在柯伊伯帶和奧爾特云的天體,、彗星、海王星巨大的衛(wèi)星——崔頓,,或許還有冥王星和他的衛(wèi)星——?jiǎng)P倫,,都是'臟雪球'的例子。由于有許多的固體物質(zhì)可以使用,,即使在碰撞較不頻繁和較低的速度下(在更大的軌道),,這些微行星依然可以發(fā)展成非常巨大的行星(質(zhì)量大約是地球的10倍),使得它們的引力足以吸附氨氣和甲烷,,甚至是氫氣,。一旦開(kāi)始這樣的程序,它們將迅速的增長(zhǎng),,因?yàn)樵诒P(pán)中占有98%的氫和氦,,會(huì)使它們的質(zhì)量大增,而且引力網(wǎng)也會(huì)張得更大,。

  很快的,,類木型的微行星不再像是由冰冷的微行星組成的,由于大量的氫氣和氦氣或多或少的都會(huì)使得巨大的氣體云核心密度更為堅(jiān)實(shí),。然后這些類木星型的氣體球,,在與太陽(yáng)系相似的比喻下,逐漸的產(chǎn)生重力塌縮,、加熱,、提高轉(zhuǎn)速和趨向扁平。一些類木行星的衛(wèi)星可能也在行星本身類似的機(jī)制下形成,,在原行星的重力塌縮中,,從被濃縮的原行星盤(pán)中的塵粒中凝聚而成。這或許可以解釋,,在太陽(yáng)系中,,類木行星有如此眾多的衛(wèi)星,和為何自轉(zhuǎn)得如此快速,。當(dāng)年輕的恒星發(fā)出的強(qiáng)風(fēng)將剩余的氣體和塵粒從恒星盤(pán)吹散進(jìn)入其外的星際空間時(shí),,類木行星的成長(zhǎng)就結(jié)束了。

  以最簡(jiǎn)單的說(shuō)法,,在最內(nèi)側(cè)的巨大原行星核形成星盤(pán)內(nèi)密度最高的區(qū)域,,并且動(dòng)態(tài)時(shí)間(典型的時(shí)標(biāo)是碰撞)是最短的,;因?yàn)檫@個(gè)天體位在盤(pán)內(nèi)氣體最密集的區(qū)域,能及早達(dá)到捕捉氣體所需要的臨界質(zhì)量,,并且和環(huán)繞的氣體有最長(zhǎng)的共生時(shí)間,。在太陽(yáng)系內(nèi),木星是在凍結(jié)線外側(cè)最大的原行星核,,履行前述的規(guī)則,,成為系統(tǒng)內(nèi)最大的行星。實(shí)際上,,過(guò)程可能很復(fù)雜,,行星遷移和湍流會(huì)使流程混淆,與現(xiàn)今觀察到的系外行星比較,,在我們系統(tǒng)內(nèi)的行星發(fā)展也許,,甚至反倒是有些異常的。

  最后,,在恒星風(fēng)吹掉盤(pán)中的氣體之后,,還有大量的原行星和微行星被留下來(lái)。在超過(guò)一千萬(wàn)至一億年的周期中,,這些原行星,,典型的質(zhì)量界于月球和數(shù)個(gè)地球之間-會(huì)互相攝動(dòng),直到軌道相互橫越并發(fā)生碰撞為止,。這些天體經(jīng)由碰撞的結(jié)果,,最后成為系統(tǒng)內(nèi)的行星。這種碰撞,,相信是原地球和火星大小原行星的碰撞,,形成了現(xiàn)在的地球和月球,這種程序是高度隨機(jī)的,。一個(gè)與相似的類地系統(tǒng)的形成,,可能很快就會(huì)結(jié)束。所能產(chǎn)生的內(nèi)行星也許比在太陽(yáng)系內(nèi)觀察到的更少,,但也可能更多,。

  較小的微行星,在數(shù)量上也會(huì)比較多,,在恒星系統(tǒng)內(nèi)存在的時(shí)間也會(huì)比較長(zhǎng)久,。這些天體也許會(huì)在' 清除鄰里'的過(guò)程中被行星清掃掉,可能會(huì)被投擲到外面遙遠(yuǎn)的邊緣(在太陽(yáng)系是奧爾特云),,或僅是持續(xù)的輕推進(jìn)入內(nèi)側(cè)與其他的行星碰撞或相對(duì)是穩(wěn)定的軌道,。這種連番轟擊的時(shí)期可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)億年,并且也許會(huì)在地質(zhì)上留下一些可以看見(jiàn)的撞擊坑痕跡。有些論點(diǎn)認(rèn)為,,只要在系統(tǒng)內(nèi)還有可以利用的小巖石或冰凍的天體,這個(gè)階段就還未真正的完成,。1994年,,舒梅克-李維九號(hào)彗星撞擊木星所展示的能量,正好彰顯了小行星或彗星撞擊地球可能的威脅,。

   在太陽(yáng)系,,歸結(jié)于2:1的共振軌道穿越過(guò)木星和土星軌道之間,相信更容易上演這種劇情,。來(lái)自外圍盤(pán)面的大量微行星災(zāi)難性的干擾,,這個(gè)過(guò)程被稱為晚期重轟擊。

   星云假說(shuō)可以有效的解釋太陽(yáng)系中一些主要的現(xiàn)象:

     1.行星和衛(wèi)星的規(guī)則運(yùn)動(dòng)(所有的行星都幾乎在同一個(gè)平面上,,以接近圓形的軌道,,以相同的方向繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn),而且所有的自轉(zhuǎn)也幾乎在同方向,。)

     2.類地行星和類木行星有明顯的區(qū)別(質(zhì)量,、與太陽(yáng)的距離、組成,、衛(wèi)星和環(huán)系統(tǒng))

     3.小天體(小行星和彗星,,無(wú)論周期的長(zhǎng)或短)

     4.例外的趨向(類地的衛(wèi)星、轉(zhuǎn)軸傾角,、不同平面的木衛(wèi),、崔頓)

   目前星云假說(shuō)面臨的挑戰(zhàn):

     1.柯伊伯帶迷失的質(zhì)量

     2.海衛(wèi)一的捕獲過(guò)程

     3. 天王星的側(cè)身自轉(zhuǎn)

     4.在系外行星發(fā)現(xiàn)的熱木星

     5.在聯(lián)星和三合星系統(tǒng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的系外行星

  在行星吸積的過(guò)程中,在原行星盤(pán)中使用吸積盤(pán)這個(gè)詞匯會(huì)造成混淆,。原行星盤(pán)有時(shí)就是指吸積盤(pán),,因?yàn)樵谀贻p的金牛T星,原恒星仍然在收縮中,,而且氣體物質(zhì)也許仍繼續(xù)向盤(pán)中掉落,,在盤(pán)面內(nèi)側(cè)邊緣的表面持續(xù)成長(zhǎng)。

  然而,,這個(gè)意思不能與行星形成過(guò)程的吸積混淆,。在上下文中,吸積提到塵粒的冷卻,,固化的塵粒和冰環(huán)繞著在原行星盤(pán)中的原始太陽(yáng),,碰撞和結(jié)合在一起共同的生長(zhǎng),包含可以量度大小的微行星和高能量的碰撞,。

  另一方面,,木星或許有屬于自己的吸積盤(pán),是詞匯中原本的意義,。在云氣中被捕獲的氫和氦氣體收縮,、提高轉(zhuǎn)速,、扁平化、和沉積氣體進(jìn)入每一顆類木原行星的表面,;同時(shí),,在盤(pán)內(nèi)的固態(tài)塵粒堆積在微行星上,最后會(huì)形成木星的衛(wèi)星,。

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