天文學(xué)導(dǎo)論第5講 太陽系(2) 矮行星、小天體與太陽系形成

1、第第5 5講講太陽系太陽系(2)(2)矮行星、小天體與太陽系形成矮行星、小天體與太陽系形成 Almost in the center of it, above the Prechistenka Boulevard, surrounded and sprinkled on all this sides by stars shone the enormous and brilliant comet of 1812the comet which was said to portend all kinds of woes and the end of the world. Leo Tolstoy (1

2、828-1910) WAR AND PEACE天文學(xué)導(dǎo)論天文學(xué)導(dǎo)論本講內(nèi)容本講內(nèi)容 Dwarf planets 矮行星 Asteroids 小行星 Comets 彗星 Meteoroids 流星體與流星 Collisions 碰撞 太陽系形成這些太陽系形成時所遺留下來的“殘骸”的體積雖小，但其重要性不小。它們提供了有關(guān)太陽系起源的信息。1。矮行星 谷神星：最大小行星，1號小行星（1801） 冥王星（1930湯伯發(fā)現(xiàn)）美國加州理工大學(xué)邁克爾布朗（Michael E. Brown） 鬩神星（Eris厄里斯 2003 UB313, 齊娜Xena 2005年7月29日發(fā)現(xiàn)），最大矮行星 鳥神星、妊神星

3、 Sedna賽德納，2003年11月14日發(fā)現(xiàn) 1801年由意大利天文學(xué)家皮亞齊發(fā)現(xiàn) 位于火星與木星之間的小行星帶中，1號小行星 直徑約950公里，等于月球直徑的1/4，質(zhì)量約為月球的1/50 谷神星所含淡水可能比地球還多谷神星谷神星CeresPluto 冥王星冥王星 “古怪的小家伙古怪的小家伙” 曾作為太陽系最小的第九大行星 性質(zhì)特殊，既不像類地行星，也不像類木行星 1999年，國際天文聯(lián)合會曾考慮把冥王星開除九大行星之列，沒有成功！2006年“成功”了！Computer enhanced HST images 冥王星的基本特征冥王星的基本特征 對冥王星的了解不深，原因有二： 距離遙遠(yuǎn) 還沒

4、有太空船到冥王星作近距離觀測 質(zhì)量小于地球的1%，半徑約1150千米，比月球（半徑約1740千米）還小 密度約為水的2.3倍。通常類木行星的密度小于2，而類地行星的密度大于5 冥王星表面及其大氣由氮組成，從其密度推斷，它應(yīng)有堅固的表面冥王星的軌道冥王星的軌道 冥王星的軌道非常特殊：擁有最大偏心率（作為第九大行星）；公轉(zhuǎn)軌道和黃道面的夾角為17.2度；距太陽平均距離40 AU 軌道周期248年，自轉(zhuǎn)周期 6.39 天“Pluto: Planet 9 or 8?” “冥王星的軌道部分在海王星軌道之內(nèi)，所以從1979年到1999年，在太陽系內(nèi)，距離太陽最遠(yuǎn)的“大行星”是海王星而不是冥王星”自發(fā)現(xiàn)以來

5、，冥王星僅運動了其軌道的大約1/3冥王星和查戎冥王星和查戎 ：一對雙行星一對雙行星 冥王星的衛(wèi)星稱為查戎 Charon，直徑約1200千米，是冥王星直徑的一半多點，因此相對于它所圍繞的天體來說，它實在是非常巨大HST image查戎和冥王星互為同步衛(wèi)星 查戎的公轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)）周期和冥王星的自轉(zhuǎn)周期都是6.39天 因此，在冥王星表面，其中一半可以永遠(yuǎn)在天空差不多同一地點看到查戎，但另一半?yún)s永不見其蹤影。反之亦然 查戎是整個太陽系已知惟一的天然同步衛(wèi)星哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的冥王星“全家?！壁ね跣羌捌淙w衛(wèi)星同一軌道平面兩顆新衛(wèi)星的大小僅相當(dāng)于查戎的1/10，亮度僅及查戎的1/600可能與查戎同一時間誕生

6、，是同一次巨大天體碰撞的結(jié)果？ 奔向冥王星和柯伊柏帶的New Horizons 如何發(fā)現(xiàn)太陽系“小”天體?Sedna 賽德納2。小行星。小行星“天上的災(zāi)星天上的災(zāi)星” 小行星帶：位于火星和木星軌道之間的一個“垃圾場”，距離太陽約2.8（2.0-3.3）AU 特洛伊型小行星：和木星具有共同軌道的小行星群小行星帶的基本特征小行星帶的基本特征 軌道周期：3.2-6年 由巖石與金屬構(gòu)成的塊狀小天體 編號與命名（1號谷神星，4號灶神星） 直徑大于250千米的小行星不足20顆 大部分形狀不規(guī)則，非球形，形如土豆，表面有大小不等的撞擊環(huán)形坑，裂縫 小行星間隔平均幾千萬千米 軌道：像多納圈 干擾對正常天體的研

7、究：天上的災(zāi)星 揭示太陽系形成和演化奧秘的重要鑰匙小行星的數(shù)量？ 535000顆（截至2010/9/22），估計質(zhì)量為0.0008個地球質(zhì)量 谷神星Ceres 矮行星 第一顆小行星，1801年發(fā)現(xiàn) 最大小行星：直徑約950 km 3 種類型： 巖石 鐵/鎳 （富）碳小行星的偶然發(fā)現(xiàn) 小行星在背景天空上運行，只要以長時間曝光的方式拍攝，小行星的影像就成為一條光跡。大多數(shù)天文學(xué)家用此方法尋找小行星 事實上，大部分小行星就是通過這種方式而被偶然發(fā)現(xiàn)的近地小行星 NEO 由于受到木星引力的影響，小行星帶中的某些碎塊改變軌道而接近地球軌道 7000多顆，軌道距地球不到4500萬公里 直徑：最大32千米，

8、最小僅幾米 直徑大于1千米的千余顆中的90%已確認(rèn)，主要研究100-1000米的小行星（估計28000顆，已知15%） 軌道：阿登型小行星（地球軌道以內(nèi)）；阿波羅型小行星（地球與火星之間）；阿莫爾型小行星（地球軌道外側(cè)，平行但不相交） 類型：碳質(zhì)、巖石和金屬小行星九顆近地小行星已得到考察Asteroid 951（Gaspra 加斯普拉）： 自轉(zhuǎn)周期 7小時小行星伊達(dá) （Ida Asteroid 243，自旋周期 4.5小時）和它的衛(wèi)星達(dá)克圖 (243)1Galileos visit to the asteroids in 1991小行星不僅僅是潛在的威脅 太空旅行的理想跳板 有待開發(fā)的礦藏：金

9、屬、氣體、水 未來太空探索的補給站 揭開地球生命起源之謎 NASA 的黎明號探測器抵達(dá)灶神星 通常把彗星看作一個“臟雪球”，彌散的、發(fā)亮的天體，常常拖著長長的尾巴 古老天體：幾十億年前太陽系構(gòu)建過程中所遺留下來的殘片碎塊 太陽系起源的“物證”1976 到訪內(nèi)太陽系的到訪內(nèi)太陽系的 威斯特（威斯特（West）彗星）彗星3。 彗星彗星臟兮兮的雪球臟兮兮的雪球世紀(jì)大彗星世紀(jì)大彗星 C/2006 P1 麥克諾特彗星麥克諾特彗星 40年來最亮彗星 澳大利亞天文學(xué)家R.H. McNaught于2006年8月7日用口徑0.5米施密特望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，2007/1/13-14 最亮-5到-6等2007年年11月：霍

10、爾姆斯彗星大爆發(fā)體積超過太陽月：霍爾姆斯彗星大爆發(fā)體積超過太陽 One view of comets as destroyers of worlds in 1857 King Harold (England) and nation cower in fear at the close passage of Halleys Comet （冰窟中的）彗星的基本特征（冰窟中的）彗星的基本特征 彗星和小行星具有共同的起源，卻是不同類型的天體（成分、軌道） 彗星由夾雜一些巖石的（水）冰物質(zhì)構(gòu)成，故稱為“臟雪球” 跨度大多僅有幾千米 彗星質(zhì)量 10-11地球質(zhì)量，體積大，密度很低，因而是結(jié)構(gòu)松散、多孔的天

11、體彗星的結(jié)構(gòu)彗星的結(jié)構(gòu)彗核彗核 彗星中心是一顆由凝固了的氣體和塵埃組成的、直徑小于10公里的細(xì)小彗核Halleys nucleus 美麗的彗尾 當(dāng)彗星接近太陽的時候，凝固的氣體受熱蒸發(fā)而產(chǎn)生延展的彗發(fā)coma 當(dāng)它進(jìn)一步接近太陽，太陽風(fēng)及太陽輻射壓便會把氣體和塵埃向后推，形成美麗壯觀的彗尾。因此，彗尾永遠(yuǎn)是背著太陽的 通常形成兩條彗尾，一個是藍(lán)色的由離子組成的直尾，另一條是黃色的彎曲的塵埃尾。兩條彗尾均可延展數(shù)百萬公里West彗星的軌道：開放軌道彗星的軌道：開放軌道 彗星軌道基本有兩種：開放或封閉式繞日運行 以開放式（非周期軌道）繞日運行的彗星只經(jīng)過太陽一次彗星的軌道：彗星的軌道： 周期軌道周

12、期軌道 封閉式軌道彗星（很扁的橢圓形周期軌道）則可造訪太陽多次，交替非常遠(yuǎn)離和靠近太陽 最著名的周期彗星是以76年周期繞日運行的哈雷彗星 Comet Halley 萬有引力最重要的早期預(yù)言 彗星核的壽命取決于它的軌道周期和到太陽的最近距離 短周期軌道和長周期軌道，以200年為界（不確定）。一些周期長達(dá)一百萬年 已知短周期彗星約200顆，長周期彗星約770顆。平均每年發(fā)現(xiàn)約6顆彗星 彗星軌道高度橢圓，行星軌道近似圓形。短周期彗星和行星同向運行，軌道取向接近太陽系軌道面；長周期彗星有同向和反向，軌道取向各個方向彗星的軌道特征彗星的軌道特征彗星的可能來源彗星的可能來源 柯伊伯帶 Kuiper bel

13、t (盤狀，柯伊伯帶天體 KBOs ) 奧爾特云 Oort cloud： 太陽系最外區(qū)域，球殼狀，距離太陽 50,000 AU以外， 1012 小天體 鄰近恒星通過太陽附近時其引力擾動使這兩個區(qū)域里的一些物質(zhì)進(jìn)入內(nèi)太陽系而成為彗星太陽有一個“復(fù)仇女神？”深度撞擊深度撞擊 deep impact 2005/7/4，撞擊彗星 Tempel 1 由遠(yuǎn)古的冰冷物質(zhì)構(gòu)成 太陽系起源的信息4。 流星體流星體 除了小行星帶以外，太陽系中還充塞著大量的塊狀物，稱為流星體，它們在太陽系中漂浮飛行 大多數(shù)流星體很小(10 m)，多為沙粒大小 流星體可能來自小行星帶，由小行星碰撞分裂而成；也可能是彗星靠近太陽時所遺

14、留的物質(zhì)Meteor 流星流星 當(dāng)流星體以每秒數(shù)十公里的速度進(jìn)入地球大氣層( 140 terrestrial craters foundBarringer meteor crater 巴林格隕擊坑巴林格隕擊坑Small meteorite produce big destruction!“Barringer meteor crater” in Arizona: 1.2 km diameter. Probably from diameter 3*106倍 為了太陽的穩(wěn)定，如此快速自轉(zhuǎn)要求太陽的自引力必須增加大約2*106倍 事實上，分子云核的大部分角動量滯留在行星上。因此，分子云核的角動量比從其

15、中所形成的太陽的角動量大得多3. An accretion disk forms 形成吸積盤 如果沒有自轉(zhuǎn)（角動量），分子云核自然坍縮為一個球 對于自轉(zhuǎn)的分子云核，因為離心力平衡引力，坍縮的程度具有方向性：自轉(zhuǎn)使得垂直于自轉(zhuǎn)軸方向上的坍縮減慢，但是不影響沿自轉(zhuǎn)軸方向的坍縮，所以自轉(zhuǎn)的分子云核漸漸變得扁平 最終分子云核坍縮為一個原始恒星和一個吸積盤（稱為原行星盤） 因此自轉(zhuǎn)的分子云核坍縮為一個盤而不是直接坍縮為一個恒星Animation4. 小物體成長為大物體 在原行星盤內(nèi)，氣體的運動將較小的顆粒吹入較大的顆粒內(nèi) 通過吸附較小的顆粒，較大的塵埃顆粒變得更大 從只有幾微米大小開始，稍微大一點的塵埃

16、漸漸生長 當(dāng)塵埃顆粒增長為大約100米大小的時候，物體的增長率減小，但100米大小的物體會結(jié)合形成更大的物體。此時的結(jié)合必須輕微，否則猛烈的碰撞會使它們再裂解為許多小碎片。在物體增長的階段，這種反過程是常見的星子：行星的種子星子：行星的種子 當(dāng)物體增長為約1公里大小的時候，物體的質(zhì)量足夠大因而其引力變得重要并開始起作用。 1千米大小的物體通常稱為星子（planetesimals，literally “tiny planets”） 星子的增長加快，較大的星子很快吸引完其軌道附近的其它小物體 通過吸引，引力使得星子最終成長為原行星（protoplanets） 原行星的增長方式：凝聚碰撞吸引5. 原

17、行星盤：內(nèi)熱外冷原行星盤：內(nèi)熱外冷 當(dāng)下落氣體撞擊吸積盤后，原子的（冷）運動變?yōu)殡S機熱運動，下落氣體的引力能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，到達(dá)內(nèi)盤的物質(zhì)因為在原恒星的引力場中走得更遠(yuǎn)而轉(zhuǎn)化更多熱能，使內(nèi)盤更熱 原太陽的熱輻射（引力能轉(zhuǎn)化為熱能，非熱核反應(yīng)的光度是目前太陽的許多倍）加熱內(nèi)盤 揮發(fā)性的物質(zhì)（冰）只在外盤中得以保留下來 難熔物在高溫下仍保持固態(tài)，所以內(nèi)盤僅有難熔物質(zhì)存活下來6. 固態(tài)的原行星吸積大氣 一旦原行星形成，它將進(jìn)一步吸引原行星盤中的氣體 由于強烈的原太陽風(fēng)和輻射，這個過程必須很快結(jié)束（對木星，大約一千萬年） 由于強大的引力，新形成的大質(zhì)量行星能束縛大量氣體，在其周圍形成小吸積盤 小質(zhì)量行星失去原始大氣。目前的大氣稱為次級大氣，是在小質(zhì)量行星的后續(xù)演化中產(chǎn)生的，例如火山爆發(fā)7。衛(wèi)星的形成。衛(wèi)星的形成 類似于行星的形成，巨大行星的衛(wèi)星形成于其周圍的小吸積盤 月球可能是星子和地球碰撞的殘骸 火星的兩個衛(wèi)星可能是俘獲的小行星8。原太陽和原行星的最后凝聚 最后的生存者其質(zhì)量足夠大而成為行星，既有較小也有