太陽系的構(gòu)成演化起源及命運

太陽系的構(gòu)成演化起源及命運第一頁，共十四頁，2022年，8月28日太陽家族的家譜

太陽系是以太陽為中心的天體系統(tǒng)。由五花八門、豐富多彩的天體組成，并形成一個“家族”似的系統(tǒng)——在這個家族中太陽是一位“至高無上”的家長，用她那巨大的“引力之手”指揮著它周圍的無數(shù)個大小不一的家族成員。咱們居住著的地球也是太陽系家族的一個普通成員，與其他7個大行星一一水星、金星、火星、木星、土星、天王星和海王星，好像一母所生的八個子女，一同圍繞太陽母親運行。比八大行星小一輩的天體是衛(wèi)星，它們像是行星的子女，圍繞各自的行星運行。與大行星同輩的小行星，算是大行星的小弟弟，形體雖小，但它們“人丁”興旺，被發(fā)現(xiàn)(正式編號)的已有3000多顆。還有為數(shù)眾多、形態(tài)奇特的彗星，它們也都是繞太陽運行的天體。太陽系家族還有數(shù)量極多的流星體，它們有的像一座小山，有的像一顆砂粒。當它們闖入大氣時，便與大氣摩擦而燃燒，形成流星現(xiàn)象。有些大流星體來不及燒完撞到地面成為隕星。盡管太陽系內(nèi)天體品種很多，有些品種數(shù)量很大。太陽質(zhì)量占太陽系總質(zhì)量的99.8，它將太陽系里的所有天體牢牢地控制在其周圍，使它們不離自己旋轉(zhuǎn)。同時，太陽又作為一顆普通恒星，帶領它們繞銀河系的中心運動。如果把我們的太陽系比作一個家庭，那么太陽就是一家之主了。第二頁，共十四頁，2022年，8月28日太陽——威嚴的“家長”太陽是太陽系的母星，太陽也是太陽系里唯一會發(fā)光的恒星，也是最主要和最重要的成員。它有足夠的質(zhì)量讓內(nèi)部的壓力與密度足以抑制和承受核融合產(chǎn)生的巨大能量，并以輻射的型式，例如可見光，讓能量穩(wěn)定的進入太空。太陽在分類上是一顆中等大小的黃矮星，不過這樣的名稱很容易讓人誤會，其實在我們的星系中，太陽是相當大與明亮的。恒星是依據(jù)赫羅圖的表面溫度與亮度對應關系來分類的。通常，溫度高的恒星也會比較明亮，而遵循此一規(guī)律的恒星都會位在所謂的主序帶上，太陽就在這個帶子的中央。但是，比太陽大且亮的星并不多，而比較暗淡和低溫的恒星則很多。太陽在恒星演化的階段正處于壯年期，尚未用盡在核心進行核融合的氫。太陽的亮度仍會與日俱增，早期的亮度只是現(xiàn)在的75%。計算太陽內(nèi)部氫與氦的比例，認為太陽已經(jīng)完成生命周期的一半，在大約50億年后，太陽將離開主序帶，并變得更大與更加明亮，但表面溫度卻降低的紅巨星，屆時它的亮度將是目前的數(shù)千倍。第三頁，共十四頁，2022年，8月28日內(nèi)太陽系內(nèi)太陽系在傳統(tǒng)上是類地行星和小行星帶區(qū)域的名稱，主要是由硅酸鹽和金屬組成的。這個區(qū)域擠在靠近太陽的范圍內(nèi)，半徑還比木星與土星之間的距離還短。四顆內(nèi)行星或是類地行星的特點是高密度、由巖石構(gòu)成、只有少量或沒有衛(wèi)星，也沒有環(huán)系統(tǒng)。它們由高熔點的礦物，像是硅酸鹽類的礦物，組成表面固體的地殼和半流質(zhì)的地幔，以及由鐵、鎳構(gòu)成的金屬核心所組成。四顆中的三顆（金星、地球、和火星）有實質(zhì)的大氣層，全部都有撞擊坑和地質(zhì)構(gòu)造的表面特征（地塹和火山等）。內(nèi)行星容易和比地球更接近太陽的內(nèi)側(cè)行星（水星和金星）混淆。行星運行在一個平面，朝著一個方向。水星水星（Mercury）（0.4天文單位）是最靠近太陽，也是最小的行星（0.055地球質(zhì)量）。它沒有天然的衛(wèi)星，僅知的地質(zhì)特征除了撞擊坑外，只有大概是在早期歷史與收縮期間產(chǎn)生的皺折山脊。水星，包括被太陽風轟擊出的氣體原子，只有微不足道的大氣。目前尚無法解釋相對來說相當巨大的鐵質(zhì)核心和薄薄的地幔。假說包括巨大的沖擊剝離了它的外殼，還有年輕時期的太陽能抑制了外殼的增長。金星金星（Venus）（0.7天文單位）的體積尺寸與地球相似（0.86地球質(zhì)量），也和地球一樣有厚厚的硅酸鹽地幔包圍著核心，還有濃厚的大氣層和內(nèi)部地質(zhì)活動的證據(jù)。但是，它的大氣密度比地球高90倍而且非常干燥，也沒有天然的衛(wèi)星。它是顆炙熱的行星，表面的溫度超過400°C，很可能是大氣層中有大量的溫室氣體造成的。沒有明確的證據(jù)顯示金星的地質(zhì)活動仍在進行中，但是沒有磁場保護的大氣應該會被耗盡，因此認為金星的大氣是經(jīng)由火山的爆發(fā)獲得補充。地球地球（Earth）（1天文單位）是內(nèi)行星中最大且密度最高的，也是唯一地質(zhì)活動仍在持續(xù)進行中并擁有生命的行星。它也擁有類地行星中獨一無二的水圈和被觀察到的板塊結(jié)構(gòu)。地球的大氣也于其他的行星完全不同，被存活在這兒的生物改造成含有21%的自由氧氣。它只有一顆衛(wèi)星，即月球；月球也是類地行星中唯一的大衛(wèi)星。地球公轉(zhuǎn)（太陽）一圈約365天，自轉(zhuǎn)一圈約1天。（太陽并不是總是直射赤道，因為地球圍繞太陽旋轉(zhuǎn)時，稍稍有些傾斜。）

第四頁，共十四頁，2022年，8月28日內(nèi)太陽系（2）火星火星（Mars）（1.5天文單位）比地球和金星小（0.17地球質(zhì)量），只有以二氧化碳為主的稀薄大氣，它的表面，例如奧林匹斯山有密集與巨大的火山，水手號峽谷有深邃的地塹，顯示不久前仍有劇烈的地質(zhì)活動?；鹦怯袃深w天然的小衛(wèi)星，戴摩斯和福伯斯，可能是被捕獲的小行星。小行星帶小行星的主帶和特洛伊小行星小行星是太陽系小天體中最主要的成員，主要由巖石與不易揮發(fā)的物質(zhì)組成。主要的小行星帶位于火星和木星軌道之間，距離太陽2.3至3.3天文單位，它們被認為是在太陽系形成的過程中，受到木星引力擾動而未能聚合的殘余物質(zhì)。小行星的尺度從大至數(shù)百公里、小至微米的都有。除了最大的谷神星之外，所有的小行星都被歸類為太陽系小天體，但是有幾顆小行星，像是灶神星、健神星，如果能被證實已經(jīng)達到流體靜力平衡的狀態(tài)，可能會被重分類為矮行星。小行星帶擁有數(shù)萬顆，可能多達數(shù)百萬顆，直徑在一公里以上的小天體。盡管如此，小行星帶的總質(zhì)量仍然不可能達到地球質(zhì)量的千分之一。小行星主帶的成員依然是稀稀落落的，所以至今還沒有太空船在穿越時發(fā)生意外。直徑在10至10.4米的小天體稱為流星體。第五頁，共十四頁，2022年，8月28日中太陽系太陽系的中部地區(qū)是氣體巨星和它們有如行星大小尺度衛(wèi)星的家，許多短周期彗星，包括半人馬群也在這個區(qū)域內(nèi)。此區(qū)沒有傳統(tǒng)的名稱，偶爾也會被歸入“外太陽系”，雖然外太陽系通常是指海王星以外的區(qū)域。在這一區(qū)域的固體，主要的成分是“冰”（水、氨和甲烷），不同于以巖石為主的內(nèi)太陽系。所有的外行星在外側(cè)的四顆行星，也稱為類木行星，囊括了環(huán)繞太陽99%的已知質(zhì)量。木星和土星的大氣層都擁有大量的氫和氦，天王星和海王星的大氣層則有較多的“冰”，像是水、氨和甲烷。有些天文學家認為它們該另成一類，稱為“天王星族”或是“冰巨星”。這四顆氣體巨星都有行星環(huán)，但是只有土星的環(huán)可以輕松的從地球上觀察?！巴庑行恰边@個名稱容易與“外側(cè)行星”混淆，后者實際是指在地球軌道外面的行星，除了外行星外還有火星。木星木星（Jupiter）（5.2天文單位），主要由氫和氦組成，質(zhì)量是地球的318倍，也是其他行星質(zhì)量總合的2.5倍。木星的豐沛內(nèi)熱在它的大氣層造成一些近似永久性的特征，例如云帶和大紅斑。木星已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的衛(wèi)星有63顆，最大的四顆，甘尼米德、卡利斯多、埃歐、和歐羅巴，顯示出類似類地行星的特征，像是火山作用和內(nèi)部的熱量。甘尼米德比水星還要大，是太陽系內(nèi)最大的衛(wèi)星。土星土星（Saturn）（9.5天文單位），因為有明顯的環(huán)系統(tǒng)而著名，它與木星非常相似，例如大氣層的結(jié)構(gòu)。土星不是很大，質(zhì)量只有地球的95倍，它有60顆已知的衛(wèi)星，泰坦和恩塞拉都斯，擁有巨大的冰火山，顯示出地質(zhì)活動的標志。泰坦比水星大，而且是太陽系中唯一實際擁有大氣層的衛(wèi)星。天王星天王星（Uranus）（19.6天文單位），是最輕的外行星，質(zhì)量是地球的14倍。它的自轉(zhuǎn)軸對黃道傾斜達到90度，因此是橫躺著繞著太陽公轉(zhuǎn)，在行星中非常獨特。在氣體巨星中，它的核心溫度最低，只輻射非常少的熱量進入太空中。天王星已知的衛(wèi)星有27顆，最大的幾顆是泰坦尼亞、歐貝隆、烏姆柏里厄爾、艾瑞爾、和米蘭達。

第六頁，共十四頁，2022年，8月28日中太陽系（2）海王星海王星（Neptune）（30天文單位）雖然看起來比天王星小，但密度較高使質(zhì)量仍有地球的17倍。他雖然輻射出較多的熱量，但遠不及木星和土星多。海王星已知有13顆衛(wèi)星，最大的崔頓仍有活躍的地質(zhì)活動，有著噴發(fā)液態(tài)氮的間歇泉，它也是太陽系內(nèi)唯一逆行的大衛(wèi)星。在海王星的軌道上有一些1:1軌道共振的小行星，組成海王星特洛伊群。彗星彗星歸屬于太陽系小天體，通常直徑只有幾公里，主要由具揮發(fā)性的冰組成。它們的軌道具有高離心率，近日點一般都在內(nèi)行星軌道的內(nèi)側(cè)，而遠日點在冥王星之外。當一顆彗星進入內(nèi)太陽系后，與太陽的接近會導致她冰冷表面的物質(zhì)升華和電離，產(chǎn)生彗發(fā)和拖曳出由氣體和塵粒組成、肉眼就可以看見的彗尾。短周期彗星是軌道周期短于200年的彗星，長周期彗星的軌周期可以長達數(shù)千年。短周期彗星，像是哈雷彗星，被認為是來自柯伊伯帶；長周期彗星，像海爾·波普彗星，則被認為起源于奧爾特云。有許多群的彗星，像是克魯茲族彗星，可能源自一個崩潰的母體。有些彗星有著雙曲線軌道，則可能來自太陽系外，但要精確的測量這些軌道是很困難的。揮發(fā)性物質(zhì)被太陽的熱驅(qū)散后的彗星經(jīng)常會被歸類為小行星。半人馬群半人馬群是散布在9至30天文單位的范圍內(nèi)，也就是軌道在木星和海王星之間，類似彗星以冰為主的天體。半人馬群已知的最大天體是10199Chariklo，直徑在200至250公里。第一個被發(fā)現(xiàn)的是2060Chiron，因為在接近太陽時如同彗星般的產(chǎn)生彗發(fā)，目前已經(jīng)被歸類為彗星。有些天文學家將半人馬族歸類為柯伊伯帶內(nèi)部的離散天體，而視為是外部離散盤的延續(xù)。第七頁，共十四頁，2022年，8月28日外海王星區(qū)在海王星之外的區(qū)域，通常稱為外太陽系或是外海王星區(qū)，仍然是未被探測的廣大空間。這片區(qū)域似乎是太陽系小天體的世界（最大的直徑不到地球的五分之一，質(zhì)量則遠小于月球），主要由巖石和冰組成。柯伊伯帶柯伊伯帶，最初的形式，被認為是由與小行星大小相似，但主要是由冰組成的碎片與殘骸構(gòu)成的環(huán)帶，擴散在距離太陽30至50天文單位之處。這個區(qū)域被認為是短周期彗星——像是哈雷彗星——的來源。它主要由太陽系小天體組成，但是許多柯伊伯帶中最大的天體，例如創(chuàng)神星、伐樓拿、2003EL61、2005FY9和厄耳枯斯等，可能都會被歸類為矮行星。估計柯伊伯帶內(nèi)直徑大于50公里的天體會超過100,000顆，但總質(zhì)量可能只有地球質(zhì)量的十分之一甚至只有百分之一。許多柯伊伯帶的天體都有兩顆以上的衛(wèi)星，而且多數(shù)的軌道都不在黃道平面上?？乱敛畮Т笾律峡梢苑殖晒舱駧Ш蛡鹘y(tǒng)的帶兩部分，共振帶是由與海王星軌道有共振關系的天體組成的（當海王星公轉(zhuǎn)太陽三圈就繞太陽二圈，或海王星公轉(zhuǎn)兩圈時只繞一圈），其實海王星本身也算是共振帶中的一員。傳統(tǒng)的成員則是不與海王星共振，散布在39.4至47.7天文單位范圍內(nèi)的天體。傳統(tǒng)的柯伊伯帶天體以最初被發(fā)現(xiàn)的三顆之一的1992QB1為名，被分類為類QB1天體。冥王星和卡戎冥王星和已知的三顆衛(wèi)星目前還不能確定卡戎（Charon）是否應被歸類為當前認為的衛(wèi)星還是屬于矮行星，因為冥王星和卡戎互繞軌道的質(zhì)心不在任何一者的表面之下，形成了冥王星-卡戎雙星系統(tǒng)。另外兩顆很小的衛(wèi)星尼克斯（Nix）與許德拉（Hydra），則繞著冥王星和卡戎公轉(zhuǎn)。冥王星在共振帶上，與海王星有著3:2的共振（冥王星繞太陽公轉(zhuǎn)二圈時，海王星公轉(zhuǎn)三圈）?？乱敛畮е杏兄@種軌道的天體統(tǒng)稱為類冥天體。離散盤離散盤與柯伊伯帶是重疊的，但是向外延伸至更遠的空間。離散盤內(nèi)的天體應該是在太陽系形成的早期過程中，因為海王星向外遷徙造成的引力擾動才被從柯伊伯帶拋入反覆不定的軌道中。多數(shù)黃道離散天體的近日點都在柯伊伯帶內(nèi)，但遠日點可以遠至150天文單位；軌道對黃道面也有很大的傾斜角度，甚至有垂直于黃道面的。有些天文學家認為黃道離散天體應該是柯伊伯帶的另一部分，并且應該稱為"柯伊伯帶離散天體"。冥王星第八頁，共十四頁，2022年，8月28日外海王星區(qū)（2）鬩神星（又名齊娜）鬩神星（136199Eris）（平均距離68天文單位）是已知最大的黃道離散天體，并且引發(fā)了什么是行星的辯論。他的直徑至少比冥王星大15%，估計有2,400公里（1,500英里），是已知的矮行星中最大的。鬩神星有一顆衛(wèi)星，鬩衛(wèi)一（Dysnomia），軌道也像冥王星一樣有著很大的離心率，近日點的距離是38.2天文單位（大約是冥王星與太陽的平均距離），遠日點達到97.6天文單位，對黃道面的傾斜角度也很大。美國加州技術研究所的科學家2003年在太陽系的邊緣發(fā)現(xiàn)了這顆行星，編號為2003UB313，暫時命名為齊娜，直到2005年7月29日才向外界公布這個發(fā)現(xiàn)。據(jù)悉，各國天文學家于2006年8月24日的國際天文學聯(lián)合會大會上否認其為大行星。據(jù)介紹，齊娜的直徑約一千四百九十英里，較太陽系邊緣的矮行星冥王星還要大七七英里。而齊娜距離太陽九十億英里，這個距離大約是冥王星和太陽間距離的三倍,也就是大約97.6個天文單位，一個天文單位指的太陽與地球之間的距離。齊娜繞行太陽一周，得花五百六十年它也是迄今為止我們所知道的太陽系中最遠的星體，是“庫伊伯爾星帶”里亮度占第三位的星體。它比冥王星表面的溫度低，約零下214℃，是一個非常不適合居住的地方。這個星體呈圓形，最大可能是冥王星的兩倍。他估計新發(fā)現(xiàn)的這顆星星的直徑估計有2100英里，是冥王星的1.5倍。這個星體與太陽系統(tǒng)的主平面保持著45度的夾角，大部分其它行星的軌道都在這個主平面里。布朗說，這就是它一直沒有被發(fā)現(xiàn)的原因。第九頁，共十四頁，2022年，8月28日太陽系的起源和演化太陽系的形成據(jù)信應該是依據(jù)星云假說，最早是在1755年由康德和1796年由拉普拉斯各自獨立提出的。這個理論認為太陽系是在46億年前在一個巨大的分子云的塌縮中形成的。這個星云原本有數(shù)光年的大小，并且同時誕生了數(shù)顆恒星。研究古老的隕石追溯到的元素顯示，只有超新星爆炸的心臟部分才能產(chǎn)生這些元素，所以包含太陽的星團必然在超新星殘骸的附近?？赡苁莵碜猿滦潜ǖ恼鸩ㄊ灌徑柛浇男窃泼芏仍龈?，使得重力得以克服內(nèi)部氣體的膨脹壓力造成塌縮，因而觸發(fā)了太陽的誕生。被認定為原太陽星云的地區(qū)就是日后將形成太陽系的地區(qū)，直徑估計在7,000至20,000天文單位，而質(zhì)量僅比太陽多一點（多0.1至0.001太陽質(zhì)量）。當星云開始塌縮時，角動量守恒定律使它的轉(zhuǎn)速加快，內(nèi)部原子相互碰撞的頻率增加。其中心區(qū)域集中了大部分的質(zhì)量，溫度也比周圍的圓盤更熱。當重力、氣體壓力、磁場和自轉(zhuǎn)作用在收縮的星云上時，它開始變得扁平成為旋轉(zhuǎn)的原行星盤，而直徑大約200天文單位，并且在中心有一個熱且稠密的原恒星。第十頁，共十四頁，2022年，8月28日太陽系的起源和演化（2）對年輕的金牛T星的研究，相信質(zhì)量與預熔合階段發(fā)展的太陽非常相似，顯示在形成階段經(jīng)常都會有原行星物質(zhì)的圓盤伴隨著。這些圓盤可以延伸至數(shù)百天文單位，并且最熱的部分可以達到數(shù)千K的高溫。一億年后，在塌縮的星云中心，壓力和密度將大到足以使原始太陽的氫開始熱融合，這會一直增加直到流體靜力平衡，使熱能足以抵抗重力的收縮能。這時太陽才成為一顆真正的恒星。相信經(jīng)由吸積的作用，各種各樣的行星將從云氣（太陽星云）中剩余的氣體和塵埃中誕生：1.當塵粒的顆粒還在環(huán)繞中心的原恒星時，行星就已經(jīng)開始成長；2.然后經(jīng)由直接的接觸，聚集成1至10公里直徑的叢集；3.接著經(jīng)由碰撞形成更大的個體，成為直徑大約5公里的星子；4.在未來得數(shù)百萬年中，經(jīng)由進一步的碰撞以每年15厘米的的速度繼續(xù)成長。第十一頁，共十四頁，2022年，8月28日太陽系的起源和演化（3）在太陽系的內(nèi)側(cè)，因為過度的溫暖使水和甲烷這種易揮發(fā)的分子不能凝聚，因此形成的星子相對的就比較?。▋H