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太阳系是怎样形成?是谁制造了太阳系?它的存在是设计还是巧合?
送交者: jmzjmz[♂★★★★平凡之人★★★★♂] 于 2022-11-01 11:22 已读 2407 次  

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太阳系是由部分原始的星际云收缩而形成的,这是我们由目前所掌握的较为充分的数据所得出的一个理论。根据这个理论,其细微的旋转在收缩的气体完成旋转时就会被放大,直到收缩气体形成一个旋转的扁平圆盘,围绕着密度更大的气体尘埃旋转。处于中心的气体尘埃进一步被压缩,从而形成了原恒星(处于原始状态的恒星,这里指原始太阳),其中包含了绝大部分最初坍塌的云团。

这个过程从“开始”到“结束”,需要一千万年。天文学家们已经观测到环绕着年轻恒星的原行星盘,所以这部一分理论似乎是正确的。哈勃望远镜在猎户座星云中拍到了很多类似的环绕着恒星的原行星盘,这些照片在其网站上就可以看到。


图解:模拟原行星盘的螺旋臂与其观测数据的对比。

我们可以看到(至少间接地看到)HL金牛座系中行星形成时行星清扫气体尘埃环,留下空白。星际云的其中一个特征是尘埃灰,这与我们太阳系已知的特性直接相关。天文学家们从20世纪60年代起就在浓密的云团中探测到了它们。我们通过仔细研究碳质球粒陨石得知,它们是早期“太阳星云”物质中的一部分。由尘埃和气体组成的太阳星云,随着太阳在其中心形成而继续演化。

在这些气体尘埃形成的旋转原行星盘中存在相互的摩擦,这些摩擦使得约一亿英里的范围温度达到1000K以上,使气体尘埃通过化学反应形成了硅酸盐,而不是形成冰。在这样的温度下,星际云的已知成分甲烷和水却不会发生这样的化学反应,除非是在离原行星盘中心更远、更冷的轨道外围。

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由于从原行星盘温度的下降,建立起了各种特定的化学区域,每一个都有独自的化合物丰度比值。太阳星云的内部富含硅酸盐和铁、镍的化合物,外部温度较低的地方则富含各种冰。这种特征仍然存在于内行星(主要由硅酸要组成)和外行星的卫星(主要由冰组成,含水较多)的构成中。一旦尘埃颗粒的温度变得与环境温度一致,下一阶段就开始了。



下一个阶段涉及到行星的形成,目前尚未直接被观测到,但是上文所提到的金牛座HL系或许会进行这一过程。一个与其相同的物理模型表明,通常存在于星际云中相当粘稠的尘埃颗粒,会堆积形成直径从厘米到千米的天体,然后进入原行星盘的内部。

过程进行到这一步一般就会停止了,但如果有合适的流体和气体的动力条件,这个过程就还会继续。例如震荡,震荡时一些小的天体将碰撞、分裂,这样就不会形成更大的组合了。我们认为,引力在原行星盘中的稳定能加速形成更大的天体。比如微型漩涡星系,旋转的原行星盘是不稳定的,并且很容易在其内部形成两个或多个漩涡。


图解:这颗年轻恒星埃利亚斯2-27周围的原行星盘位于距离我们大约450光年远的地方。

在这个阶段,太阳中的很大一部分的角动量被转移到轨道中。太阳包含了目前太阳系99%的质量,但角动量仅仅只有2%。最广为人知的“打破”太阳的方法是利用磁场,这已经在许多新生恒星中被探测到,所以我们知道对于像太阳这样的恒星(年龄小于1000-2000万年)强大的磁场的确存在。典型星际陨石中的尘埃颗粒的尺寸是以微米为单位的。

只有气体尘埃不断聚集形成一个更大的天体,才能形成行星。我们从陨石样本中,可以大致了解到这个长久又复杂的过程,这个过程是依于尘埃颗粒的高粘度而进行的。一些尘埃颗粒随着在原行星盘中的旋转时相互碰撞,根据各种模型和估算,仅仅在几千年内,它们的直径就会增长到几厘米!通过研究陨石,我们还发现,这些尘埃颗粒是在冷热不断交替的恶劣环境中聚集起来的,其中还有爆炸释放出来的能量,这些过程增加了它们表面的粘稠度(部分被融化,部分被冰冻)。

因为原行星盘所在的区域有其自己的磁场,这就使得尘埃颗粒从“大气”中沉淀出来,慢慢地塌陷到轨道平面的中间,使行星形成的区域变得狭窄,这就是我们所说的黄道面。


我们还不能确切的得知,这些直径只有几厘米的尘埃颗粒集合体是如何变为直径以千米计的小行星体的,直接的碰撞也许是导致形成更大天体最直接的原因。我们从太阳系周围的数十个天体中可以得出,大型天体曾经确实大量存在过。引力可以放大这一过程,这样一个狭窄的、自引力的原行星盘是非常不稳定的,计算表明,这些天体可能会分裂成更小的不均匀天体。

据估计,这些天体直径从几百米到几千米不等,这类似于小行星带中大多数小行星的大小,很难想象原始太阳星云中有多少这样的天体。我们通过观察内行星、月亮、甚至小行星本身的表面,就能证明这些天体曾发生过猛烈的爆炸。因为太阳星云内部的尘埃是太阳质量的几个百分点,所以在星云内的天体密度都非常高,这些厘米大小的小球一旦形成,就无法被排出。


至于星云中的气体,那又是另外一回事了。据我们所知,类似太阳的行星核燃烧时都会经历T-金牛星这样的阶段。太阳在这个阶段时,会释放出一股巨大的太阳风,冲刷出太阳星云内部的所有气体,这个阶段大约在太阳星云和原太阳开始形成的两千万年后结束。

这些小天体相互碰撞后融合在一起,据估计,形成和地球一样大小的天体需要大概不到一千万年。最初,这些小行星通过互相碰撞来增加体积,就像两个球相撞。但随着这些天体的直径增长到几千多米,它自身的磁场就开始吸引周围的物质和尘埃进入一定区域内,这样,小行星就能清除更多滞留在轨道中的物质。随着太阳星云的演化,在吸积过程的最后,形成了越来越大的天体。

虽然最初天体的大小只有一千米,行星即将形成时,直径只有几百或几千公里的天体会相互碰撞。它们其中有一个撞向了地球,撞击过后的残骸就形成了月球;另一个撞向了金星,改变了其自转轴心;还有一个撞向了水星,导致其失去了一部分外壳。天王星也曾在形成自己的卫星系统前,被小行星撞击而改变了自转的轴心。


内行星的形成是相当缓慢的,然而“气态巨行星”的形成则是另一种完全不同的过程。一旦一个行星的质量达到地球质量的10到20倍,它自身的引力场就会变得更强,即使是处于太阳系较冷的外部环境中的,流动缓慢的气体,也能被行星捕获,然后,这个行星的体积就会以爆发式的速度增长。虽然这一过程的细节仍然具有争议,但在几千万年内创造一个木星大小的天体的确是较为困难的。我们从其它恒星周围发现的木星大小的恒星中可得知,这些天体在形成的过程中不会停留在原地,而有可能向着太阳星云内部漂移。

比如,木星就有可能是在土星轨道上形成,而后由于原行星盘的粘性和引力而向内漂移。在一些原行星盘内,这些巨大的天体甚至会一直向内漂移,直到被恒星吞没!当它们向内移动时,它们甚至可能会驱逐一些正在形成过程中的行星,包括原始的地球。


因为原行星盘的内部温度超过1000K,外部温度又只有20K,所以这些行星的组成成分以及大气层,就取决于他们在行星盘中的位置。在内太阳系,富含硅酸盐、铁和镍的化合物达到的热力学平衡。在外太阳系,甲烷、氨和冰的含量非常丰富。这就是为什么内行星和小行星带的天体的主要成分都是岩石,而外行星的卫星都是巨大的冰球。这种“化学平衡”的模型时非常强大的,可以用来预测其他只知道质量和其与恒星间距的行星。

在金牛T星清除了行星盘中的自由气体并摧毁内行星的原始大气之后,新的大气从行星内部释放出来,为后续行星表面的化学反应奠定了基础。即使是与这些行星相撞的彗星也有大量浓缩的物质和水,但没有行星从内部所释放出来的那么多。


在接下来的10亿年内,这些行星会持续收到大型行星的撞击,直到大型行星离开太阳系。目前,太阳系中仍然存在一些古老的天体,我们必须时刻对这些潜在的威胁保持警惕。

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