太陽系的起源與演化

1、太陽系的起源與演化太陽系是太陽、九大行星及其衛(wèi)星、小行星、彗星及行星際物質(zhì)構(gòu)成的天體系統(tǒng)。1、中心天體太陽的質(zhì)量占整個(gè)系統(tǒng)的99.8，其他天體都在太陽引力作用下圍繞太陽運(yùn)動(dòng)。2、太陽系主要成員九大行星都在接近同一平面的近圓形軌道上，朝同一方向繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，稱行星運(yùn)動(dòng)的共面性與同向性(金星有點(diǎn)例外)。3、太陽系中，質(zhì)量占99.8以上的太陽的角動(dòng)量只占太陽系總角動(dòng)量的1 左右；而質(zhì)量不到0.2的其它天體的角動(dòng)量的總和卻占99左右， 此外還有許多小行星、彗星。如何合理地解釋這些特征，一直是太陽系起源理論面臨的挑戰(zhàn)。1957年第一顆人造衛(wèi)星上天開創(chuàng)了宇宙航行的時(shí)代。60年代，阿波羅登月計(jì)劃成功實(shí)施，70

2、年代以來“水手號(hào)”、“金星號(hào)”、“先驅(qū)者號(hào)”、“海盜號(hào)”、“旅行者1、2號(hào)”、“卡西尼號(hào)”對(duì)各大行星的近距觀察，“喬托號(hào)”對(duì)哈雷彗星的穿越飛行，“探路者號(hào)”在火星上的成功登陸，這些航天器所積累的有關(guān)太陽系天體物理性質(zhì)和化學(xué)組成的珍貴資料，為人類更深入地認(rèn)識(shí)太陽系的起源和演化奠定了良好的基礎(chǔ)。關(guān)于太陽系的形成和演化，至今還沒有一個(gè)能完全說明全部觀測(cè)事實(shí)的學(xué)說。歷史上有很多人提出過太陽系起源與演化的理論約40余種，歸納起來不外乎三類：突變說，所有災(zāi)變說的共同特點(diǎn)是認(rèn)為行星物質(zhì)來自某種偶然事件。最典型的看法是某恒星與太陽相遇或經(jīng)過太陽近傍，潮汐力使太陽和恒星變形，拉出一系列碎塊，然后逐漸分裂收縮成行

3、星系統(tǒng)。這類學(xué)說的致命弱點(diǎn)是太陽與恒星相遇的可能性能很小。據(jù)估計(jì)太陽與其它恒星接近的幾率為1015年才可能發(fā)生一次，而直接相遇的可能性更小，這時(shí)間已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于宇宙的年齡，因此，這種災(zāi)變是極不可能的。俘獲說，其特點(diǎn)是認(rèn)為行星物質(zhì)是在太陽形成之后由它走過的區(qū)域俘獲來的。流行的看法是太陽曾穿越某一星際物質(zhì)云塊，穿越過程中俘獲了一部分星際物質(zhì)，最后由這些物質(zhì)凝聚成為行星系統(tǒng)。這類學(xué)說的缺點(diǎn)除無法解釋角動(dòng)量分布問題外，更嚴(yán)重的問題是：雖然太陽與星云相遇的機(jī)會(huì)比和恒星相遇機(jī)會(huì)多一些，但也不容易發(fā)生，何況對(duì)星云物質(zhì)的俘獲很難達(dá)到行星系統(tǒng)所需要的物質(zhì)總量。因此俘獲說也是極不可能的。共同形成說： 目前天文學(xué)家趨于

4、一致的看法是太陽和行星系統(tǒng)共同形成的學(xué)說。大約50億年前，太陽系還是一團(tuán)彌漫的緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)的氣體云。由于其它天體的引力擾動(dòng)或鄰近超新星爆發(fā)的影響，這塊氣體云開始坍縮，稠密的核心變?yōu)樵继?，周圍旋轉(zhuǎn)的塵粒和氣體原子，形成一個(gè)薄盤原太陽星云。原太陽星云會(huì)分裂成大量引力束縛團(tuán)塊(稱星子)。星子具有小行星的尺度，其中一部分就是今天的小行星和彗星核，另一部分通過碰撞合并長(zhǎng)大成星胚。這些星胚繼續(xù)吸積周圍物質(zhì)，像滾雪球一樣最后變?yōu)榇笮行羌捌湫l(wèi)星。這些天體均由圍繞太陽旋轉(zhuǎn)的薄盤內(nèi)的物質(zhì)組成，因此自然是共面及同向的，而金星的逆向自轉(zhuǎn)等特例可以用潮汐力來解釋。不同類型的物理和化學(xué)性質(zhì)上的差異也不難理解，靠近太陽的內(nèi)

5、區(qū)，只有難熔的巖狀物能留存下來，氣體及易揮發(fā)的冰類物質(zhì)都跑掉了。因此類地行星質(zhì)量較小，密度較高。在太陽系外區(qū)，由于溫度低得不能使冰類物質(zhì)融化，在那里可以形成質(zhì)量較大，能保留住氫、氦等物質(zhì)。因而密度較低。彗星則可能是在太陽系邊界處累積起來的原始物質(zhì)。 研究太陽系起源和演化的困難之一在于我們僅此一個(gè)樣本，不能像研究恒星演化那樣，采用眾多的樣本進(jìn)行比較研究，然而隨著觀測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，這一狀況最近有了轉(zhuǎn)機(jī)。紅外天文衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)織女星周圍有塵埃環(huán)，某些恒星有小質(zhì)量伴星，有的恒星也有行星系統(tǒng)。這些新發(fā)現(xiàn)告訴我們，太陽系并非“獨(dú)生子”，它有眾多的兄弟姐妹，看來用比較方法揭開太陽系起源與演化奧秘的日子正在一天天

6、向我們走來。恒星的形成、演化與歸宿 在恒星起源的問題中，現(xiàn)主要有兩種觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為，恒星是由彌漫物質(zhì)凝聚形成的，稱彌漫說；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，恒星是由超密物質(zhì)爆發(fā)形成的。不過越來越多的觀測(cè)證據(jù)支持“彌漫說”，因而逐漸為絕大多數(shù)天文學(xué)家公認(rèn)。 觀測(cè)表明，星際空間存在著許多氣體和塵埃物質(zhì)，其中最豐富的是氫，密度僅為每立厘米不到一個(gè)氫原子。在引力作用下，這些彌漫物質(zhì)收縮成星際云，密度為每立方厘米一百到上萬個(gè)氫原子，溫度僅幾十度。引力使星際云很快收縮，因?yàn)樾请H云密度小、溫度低、氣體壓力很弱，物質(zhì)幾乎是向中心自由降落。星際云在快收縮過程中，往往逐漸碎裂成好多小云，每個(gè)小云以后單獨(dú)形成一個(gè)恒星，因此恒星通

7、常是成群形成的，如果氣體云起初有足夠的旋轉(zhuǎn)，在中心天體周圍就會(huì)形成一個(gè)如太陽大小的氣塵盤，盤中物質(zhì)不斷落到稱為原恒星的中央天體上。收縮過程中，物質(zhì)釋放出的引力能使原恒星變熱，當(dāng)中心溫度上升到1000萬度時(shí)，就產(chǎn)生熱核反應(yīng)，這時(shí)熱核反應(yīng)產(chǎn)生的向外輻射壓力極大地阻止物質(zhì)進(jìn)一步向內(nèi)收縮，若兩者達(dá)到平衡，則我們就說一顆恒星誕生了，所以恒星的質(zhì)量是有一定范圍的，一般在0.1至100個(gè)太陽質(zhì)量(1太陽質(zhì)量1.9×1033克)，更小的質(zhì)量不足以觸發(fā)核反應(yīng)，而更大的質(zhì)量則會(huì)由于產(chǎn)生的輻射壓力太大而使星體瓦解。近年來紅外天文衛(wèi)星(IRAS)、毫米波射電望遠(yuǎn)鏡等的一系列觀測(cè)結(jié)果證明了這種恒星形成的物理圖

8、像。 恒星形成之后，就開始了它漫長(zhǎng)的演化歷程。恒星形成后光和熱的來源，是其中心由氫聚變?yōu)楹さ暮朔磻?yīng)，由此產(chǎn)生的氣體壓力、輻射壓力同引力相平衡，恒星的體積和溫度不再明顯變化，進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的演化階段，稱主序星階段，這是恒星一生中最長(zhǎng)的一個(gè)階段。迄今發(fā)現(xiàn)的恒星，90處在主序星階段( 包括我們的太陽在內(nèi))，但是質(zhì)量不同的恒星在主星序上停留的時(shí)間不同。質(zhì)量越大，光度越大，能量的消耗也越快，在主序星階段停留的時(shí)間就越短。如太陽在主星序上可停留100億年，它至今才度過了一半歲月；15倍太陽質(zhì)量的恒星只停留1千萬年，而0.2倍太陽質(zhì)量的恒星則要停留1萬億年。 在主序星內(nèi)部，越接近中心，溫度越高。因此在中心

9、處核反應(yīng)最強(qiáng)烈，愈近中心，氫就愈早耗盡，逐漸形成一個(gè)不產(chǎn)能的氦核，氦核的周圍是正在進(jìn)行核反應(yīng)的氫產(chǎn)能殼層。隨著氫的不斷消耗，不產(chǎn)能的氦核就不斷擴(kuò)大。當(dāng)氦核大到一定程度時(shí)，它就因無法抵抗星體的自引力而猛烈坍縮，坍縮所釋放的引力能，一部分使氦核溫度升高，另一部分則轉(zhuǎn)移到外部，使恒星外殼急劇膨脹，體積急劇增大，從而溫度下降，恒星演化進(jìn)入紅巨星階段。 恒星從主星序向紅巨星演化的過程中，氦核外的氫燃燒是主要的能源。氦核坍縮到一定程度即溫度升高到1億度，密度超過每立方厘米106克時(shí)，就觸發(fā)了氦聚變?yōu)樘嫉臒岷朔磻?yīng)，這時(shí)內(nèi)部的氦燃燒與殼層的氫燃燒一起為恒星提供能量，恒星的體積、光度都很大，成了典型的紅巨星。氦

10、燃燒后又出現(xiàn)碳和氫聚變?yōu)檠?、進(jìn)一步聚變?yōu)楣琛㈡V以及其它越來越重的元素的聚變過程，直到合成最穩(wěn)定的鐵為止。這一階段的恒星經(jīng)歷了多次的膨脹與收縮，光度也發(fā)生周期性的變化。如把恒星在主星序稱為“壯年期”的話，那這一階段就可稱為“更年期”。當(dāng)恒星內(nèi)部的核燃料耗盡后，原來由熱核反應(yīng)維持的輻射壓力不復(fù)存在，星體將在引力作用下坍縮，直到出現(xiàn)一種新的斥力頂住引力為止。于是恒星進(jìn)入了它的老年期。恒星的最后歸縮與其初始質(zhì)量相關(guān)，初始質(zhì)量小于8 倍太陽質(zhì)量的恒星最終將成為白矮星。(如我們的太陽最后結(jié)局將是形成一個(gè)白矮星)白矮星是一種顏色發(fā)白、體積很小的恒星，其密度高達(dá)105109克/厘米3。在白矮星中，強(qiáng)大的引力作

11、用把原子核外的電子壓縮得緊密排列在一起，產(chǎn)生一種稱為電子簡(jiǎn)并壓力的向外斥力抵住向內(nèi)收縮的引力。白矮星的向外輻射主要是余熱的輻射。質(zhì)量為8-50倍太陽質(zhì)量的恒星在核燃料耗盡后會(huì)發(fā)生極猛烈的爆發(fā)，在短短幾天內(nèi)亮度陡然增加千萬倍甚至上億倍，稱為超新星。（超新星:從SN1885A到SN1997c共為1157顆,僅1997年前5個(gè)月就有100顆, 北臺(tái)近來發(fā)現(xiàn)了23顆。）爆發(fā)時(shí)拋射大量的物質(zhì)，成為碎塊和彌漫物質(zhì)，最后留下的星核密度極大、質(zhì)量比原來小得多，稱為中子星。中子星幾乎全是由擠得極緊的中子組成，密度高達(dá)原子核密度的量級(jí)( 原子核密度約為2.8×1014克/厘米3)。頂住引力的斥力是來自擠

12、得極緊的中子簡(jiǎn)并壓力。中子星被認(rèn)為是宇宙間最致密的天體。1974、1993年度兩次諾貝爾物理獎(jiǎng)的得主都是頒給研究中子量、脈沖星的天體物理學(xué)家的。大于50倍太陽質(zhì)量的恒星將最終變?yōu)楹诙?。黑洞是一種引力強(qiáng)大得連光都發(fā)射不出的天體。按廣義相對(duì)論(由愛因斯坦建立的一種關(guān)于引力的相對(duì)論性理論)，任何一個(gè)球?qū)ΨQ的天體，都有一個(gè)臨界半徑rg2GM/C2，若星體的半徑r<rg，那在rg以內(nèi)的時(shí)空特征與rg以外的時(shí)空特性完全不同，而以rg為半徑的球面稱為視界。當(dāng)一個(gè)星體成為黑洞時(shí)，視界以內(nèi)的任何信息都不可能傳給視界外的觀測(cè)者。奇特的白矮星 1834年，天文學(xué)家弗里德里希·貝塞爾注意到天空中最亮的

13、恒星天狼星的運(yùn)動(dòng)比較奇特，它在空間的路徑不象通常的恒星沿一條直線運(yùn)動(dòng)，而是沿彎彎曲曲的路徑運(yùn)動(dòng)。這位天文學(xué)家立即預(yù)言，天狼星旁一定存在著一顆看不見的伴星。這顆神秘的星被叫做天狼B星。1862年，阿爾文·克拉克根據(jù)理論計(jì)算的位置，終于找到了這顆伴星，它比天狼星的亮度要暗1萬倍，就象是耀眼陽光下的燭焰。而令人驚訝得是，它的密度竟達(dá)千克/米3，（該伴星質(zhì)量為0.93太陽質(zhì)量，而半徑僅為太陽的87.4分之一）。比地球上已知密度最大的金屬還要高4萬倍。這相當(dāng)于把法國的艾菲爾鐵塔壓縮到30立方厘米內(nèi)。這在當(dāng)時(shí)是簡(jiǎn)直難以想象的。 天狼星伴星發(fā)現(xiàn)以后，天文學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了一批與其性質(zhì)類似的恒星。它們的質(zhì)

14、量同太陽差不多，而體積與地球差不多，有的甚至更小，密度達(dá)千克米。其表面溫度約為1萬度，顏色發(fā)白，這種“個(gè)子”小，顏色“白”的恒星，被命名為白矮星，迄今已發(fā)現(xiàn)了千余顆白矮星，而按理論推算，全部恒星的10%（約為億顆）應(yīng)該為白矮星。那么白矮星是由什么組成的呢？白矮星的密度為什么這么高，在20世紀(jì)初這是不可想象的。直到盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子的核式結(jié)構(gòu)，秘密才被揭開。眾所周知，地球上所有的物質(zhì)都是由各種不同的原子組成的，一個(gè)原子體積非常小，半徑只有10-10米，而原子又由原子核和若干個(gè)電子組成，原子核集中了原子的絕大部分質(zhì)量，而電子運(yùn)動(dòng)的空間是很大的。假如核的大小如一粒彈子，則電子軌道即整個(gè)原子尺度就伸到2千

15、米以外。估算一下原子核的密度，竟高達(dá)千克米。與核密度比較，白矮星的密度就不算什么了。簡(jiǎn)并物質(zhì)與白矮星結(jié)構(gòu)在原子中，帶負(fù)電的電子被帶正電的核以庫侖力束縛，并不停地繞核旋轉(zhuǎn)。正如氣體分子對(duì)容器壁的不斷撞擊造成壓力一樣，被核束縛的電子也能產(chǎn)生一種壓力以防止物質(zhì)的收縮無限制地進(jìn)行。這個(gè)限制就是由泡利不相容原理所決定的，這完全是一種量子效應(yīng)，它預(yù)言了簡(jiǎn)并物質(zhì)的存在，泡利不相容原理指出：自旋為1/2奇數(shù)倍的粒子（稱費(fèi)米子），不可能處于相同的量子狀態(tài)。一個(gè)量子態(tài)可以設(shè)百粒子，但不允許有兩個(gè)以上的費(fèi)米子占據(jù)。這里自旋是基本粒子的一種與其角動(dòng)量相聯(lián)系的內(nèi)稟性質(zhì)。我們考慮一個(gè)盒子里的電子氣，一個(gè)電子的量子態(tài)由電子

16、的能量、動(dòng)量、自旋來決定。按量子理論，這些物理量只能取一些分立的值，即一個(gè)被稱為普朗克常數(shù)的整數(shù)或半整數(shù)倍（h/2）.在日常生活中這種分立值是完全不可覺察的，因h/2是如此之少。宏觀物體具有龐大的自旋，一個(gè)小孩玩的陀螺的自旋達(dá)到h。因此，這種不連續(xù)性只是在微觀世界才變得顯著。當(dāng)把電子氣壓縮到越來越小的體積里，那么終將達(dá)到這樣一個(gè)限度，即所有的能量和動(dòng)量狀態(tài)都被具有所有可能自旋取向的電子所占據(jù)。若再壓縮，這時(shí)不相容原理起作用，阻止電子氣進(jìn)一步變稠密。電子產(chǎn)生一種巨大的內(nèi)部“量子”壓力（簡(jiǎn)稱并壓），以反抗任何外來試圖把體積進(jìn)一步縮小的作用力。簡(jiǎn)并壓完全是一種量子行為，與溫度無關(guān)。這與通常的氣體壓強(qiáng)

17、不同。美國科學(xué)家富勒（R·Fowler）第一個(gè)把量子理論用于天體物理，192年，他提出，一個(gè)沒有內(nèi)部輻射壓的恒星將在引力作用下不斷收縮一直到所有電子占據(jù)所有可能的量子態(tài)。這時(shí)由于電子的簡(jiǎn)并壓抵抗，引力收縮不再繼續(xù)。1983年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主，印度天體物理學(xué)家錢德拉塞卡利用富勒的思想，證明了白矮星存在一個(gè)最大允許的質(zhì)量。并計(jì)算出來是1.4M，按目前的觀測(cè)與理論研究，M<4.7 M的恒星都將演化成白矮星，大多數(shù)的白矮星質(zhì)量都0.6 M左右。新星與白矮星 銀河系里的恒星多數(shù)是以雙星方式存在的。作為一顆白矮星，它發(fā)出的能量來源于自己的余熱，從而星體逐漸冷卻，但白矮星本性節(jié)儉，它冷卻的時(shí)標(biāo)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十億年的時(shí)間，最后的結(jié)局就是停止任何輻射，成為一顆黑矮星。但若是處在雙星系統(tǒng)中的白矮星，兩星靠得又比較近，則其長(zhǎng)期演化的性質(zhì)將會(huì)改變，改變的原因主要來源于物質(zhì)轉(zhuǎn)移。若白矮星的那個(gè)伴星是處于大膨脹狀態(tài)的紅巨星，則其表層物質(zhì)會(huì)被白矮星的引力吸過去，一般來說，吸過去的物質(zhì)不會(huì)直接落到白矮星表面，而是環(huán)繞白矮星形成一個(gè)大致偏平的結(jié)構(gòu)，叫吸積盤，若是磁白矮星，那么吸積氣體會(huì)沿磁力線落向白矮星的兩個(gè)磁極，由于