太阳系的形成和演化始于46亿年前一片巨大分子云中一小块的引力坍缩。大多坍缩的质量集中在中心,形成了太阳,其余部分摊平并形成了一个原行星盘,继而形成了行星、卫星、陨星和其他小型的太阳系天体系统。
这被称为星云假说的广泛接受模型,最早是由18世纪的伊曼纽·斯威登堡、伊曼努尔·康德和皮埃尔-西蒙·拉普拉斯提出。其随后的发展与天文学、物理学、地质学和行星学等多种科学领域相互交织。自1950年代太空时代降临,以及1990年代太阳系外行星的发现,此模型在解释新发现的过程中受到挑战又被进一步完善化。
从形成开始至今,太阳系经历了相当大的变化。有很多卫星由环绕其母星气体与尘埃组成的星盘中形成,其他的卫星据信是俘获而来,或者来自于巨大的碰撞(地球的卫星月球属此情况)。天体间的碰撞至今都持续发生,并为太阳系演化的中心。行星的位置经常迁移,某些行星间已经彼此易位。这种行星迁移现在被认为对太阳系早期演化起负担起绝大部分的作用。
就如同太阳和行星的出生一样,它们最终将灭亡。大约50亿年后,太阳会冷却并向外膨胀超过现在的直径很多倍(成为一个红巨星),抛去它的外层成为行星状星云,并留下被称为白矮星的恒星尸骸。在遥远的未来,太阳的环绕行星会逐渐被经过的恒星的引力卷走。它们中的一些会被毁掉,另一些则会被抛向星际间的太空。最终,数万亿年之后,太阳终将会独自一个,不再有其它天体在太阳系轨道上。
关于太阳系的起源,自从1755年康德提出第一个太阳系起源的星云说以来,已经有四十多种学说产生,但是一直没有一种学说比较完善并能够被普遍接受。太阳系的起源学说能否成立,关键是要能说明行星物质的来源和形成这两个基本问题。
太阳系起源的各种学说,基本上可划分为三类。第一类为灾变说,认为行星物质是因为某一偶然巨变事件从太阳中分出来的。例如由于另一恒星走过太阳或碰到太阳,或者由于太阳爆发,因而从太阳中分出来一部分物质,形成了行星。第二类为俘获说,认为太阳从恒星际空间俘获的物质,形成原始星云,后来演变为行星。第三类为共生说,认为整个太阳系的大体(包括太阳),都是由同一个原始星云形成的。星云中心部分的物质形成太阳,外围部分的物质形成行星等天体。因为俘获说和共生说都是认为星云形成行星等天体,所以常合称为星云说。
我国已故天文学家戴文赛教授,很早就开始注意太阳系的起源问题。他系统地分析了国外四十多种太阳系起源学说,利用新的资料和理论,发展了星云说的基本论点,形成了自己的新的星云学说。
戴文赛教授认为,太阳系是由比太阳质量大几千倍的星际云分裂出来的一个原始星云产生的。这个原始星云一开始就有自转,并且在自身引力作用下收缩,中心部分因为收缩而形成太阳,外部因为转动而变扁,成为星云盘,九大行星和它们的卫星以及无数的小行星,都是由星云盘形成的。星云盘的不同部分凝聚出不同成分的尘粒和小冰粒,它们彼此碰撞,聚集成很多颗粒,然后这些颗粒逐渐沉降到星云盘赤道面附近,形成薄薄的“尘层”。尘层里的颗粒密集之后,遇到一点扰动就分裂成很多颗粒团。各颗粒团由于自身引力又收缩成一个个固体四块,称为星子。星子经过多次碰撞结合,就逐渐聚集成行星和卫星。
戴文赛教授关于太阳系起源的新学说,能够比较好地解释太阳系的一些主要特征的由来和各类天体的起源。他的这一研究成果,曾获得全国科技大会的奖励。
关于太阳系的起源问题,200年来一直没有一种权威说法,人们提出了一种又一种假说,累计起来,有40种之多。其中影响比较大的,主要有以下几种观点。
(1)星云说
这种观点首先由德国伟大的哲学家康德提出来,几十年以后,法国著名数学家拉普拉斯又独立提出了这一观点。他们认为,整个太阳系的物质都是由同一个原始星云形成的,星云的中心部分形成了太阳,星云的外围部分形成了行星。不过,康德和拉普拉斯的观点也有着明显的分歧,康德认为太阳系是由星云的进化性演变形成的,先形成太阳,后形成行星;拉普拉斯则相反,他认为原始星云是气态的,且十分灼热,因其高速旋转,先分离成圆环,圆环凝聚后形成行星,太阳的形成要比行星晚些。尽管他们的观点有这么大的差别,但是大前提是一致的,因此人们便把他们联系在一起,称这一理论为“康德一拉普拉斯假说”。
这一假说在当时得到了普遍拥护和接受。近些年来,这一假说又有复活的趋势。美国天文学家卡梅隆认为,太阳系原始星云是巨大的星际云抛出的一小片云,起初是在自转,同时在自身引力下收缩,其中心部分形成太阳,外围变成星云盘,星云盘后来形成行星。我国天文学家戴文赛、前苏联天文学家萨弗隆诺夫、日本天文学家林忠四郎等人也都是这一观点的拥护者。
(2)灾变说
由于“康德一拉普拉斯假说”无法解释太阳和各行星之间动量矩的分配问题,因此在本世纪初,灾变说又盛行起来。这一假说的代表人物是英国天文学家金斯。他认为,行星的形成,是一颗恒星偶然从太阳身边掠过,把太阳上的一部分东西拉了出来的结果。太阳受到它起潮力的作用,从表面抛出一股气流。气流凝聚后,变成了行星。这一假说有许多变种,如美国天文学家钱伯非等人提出的星子说,杰弗里斯提出的恒星与太阳相撞说,等等。这一假说,足足占据了天文学家们的头脑达30年之久。最近几年,灾变说又活跃起来,霍尔夫森就是这一观点的拥护者,他的最新解释是,形成行星的气体流是从掠过太阳的太空天体中抛射出来的。
但天文学家们经过计算后认为,气体中的物质在空间弥散开来之后,不会产生凝聚现象。这是对灾变说的釜底抽薪。于是,“俘获说”便应运而生。这一假说最早是前苏联科学家施密特提出来的,他认为,当太阳某个时候经过气体尘埃星云时,把星云中的物质“据为己有”,形成绕太阳旋转的星云盘,并逐渐形成各个行星及其卫星。德国的魏扎克、美国的何伊伯也都是这一观点的拥护者,但他们的看法与施密特稍有不同。
各种假说虽然都有充分的观测、计算和理论根据,但也都有致命的不足,所以一直也没有一种被人们普遍接受。
太阳也有自己的系,那就是太阳系,而太阳是太阳系的中心。那么,太阳的起源究竟在哪里呢?我们可能从一些科普书上有个大概的了解。现在,就让我们一起来系统地了解一下太阳系的起源吧。
1543年,波兰科学家哥白尼在《天体运行论》中提出了日心学说。随后,哥白尼的这种无畏的科学精神一直在鼓励着人们对太阳系的认知和对自然界本原的探索。
1644年,法国科学家笛卡尔(R.Descartes)在《哲学原理》中认为,太阳系是由物质微粒逐渐获得漩涡流式运动而形成太阳、行星及卫星的。
1745年,法国博物学家布封(G.L.L.de.Buffon)在《一般和特殊的自然史》中第一次提出灾变说。他认为,质量巨大的物体,如彗星,曾与地球发生过碰撞,太阳物质也飞散出太空,后来才形成了地球与其他行星、卫星。
1755年,德国天文学家康德在《自然通史与天体理论》提出系统学说,星云假说。太阳系是一团弥漫星际物质,在万有引力作用下聚集而成。太阳系的中心就是太阳,由于斥力的增加,使得周边微粒在斥力的作用下形成团块,小团块再形成行星、卫星。
1796年,法国天文学家拉普拉斯(P.S.deLaplace)在《宇宙体系论》也提出了星云说。他认为,太阳系所有天体是由同一块星云形成。原始星云是气态,温度很高,并且在缓慢自转着。而后,星云逐渐冷却、收缩;随之自转加快,使星云越来越扁,当离心力超过向心力时,便分离出旋转气体环。再次重复,继而生成多个气体环。这样就在星云中心形成太阳,而各环则形成行星,热的行星同理形成卫星。
在科学界,人们将早期的星云说统称为康德—拉普拉斯说。这一学说在十九世纪占据太阳系起源的统治地位。由于该学说不能解释行星排列的质量分布问题和太阳系角动量特殊分布问题而遇到了困难。因此,人们又将目光转向了灾变说。
1900年,美国地质学家张伯伦(T.C.Chamberlain)提出了关于太阳系起源的星子说。随后,摩尔顿(F.R.Moulton)发展了这一学说。有一颗恒星曾经运动到距离太阳几百千米处,使太阳正、背面产生巨大潮汐,而抛射出大量物质,凝集成小团块质点,称为星子。星子是行星的胚胎,而后聚合成行星和卫星。后来,金斯(J.H.Jeans1916)提出的“潮汐假说”与上面提出的星子说略有相同。
关于太阳系起源的假说,真可谓多种多样。这也说明了人类始终都没有放弃对太阳系的探索。二十世纪以来,人们的天文学知识越来越丰富。并且认识到,在广阔的宇宙中,发生恒星相遇情况的可能性极小。五十年代以后,科学家们又提出了许多新的学说,这些学说大部分都是以星云假说为基础的学说。下列是六个影响最大的学说:
1.卡米隆(A.G.W.Cameron)学说。卡米隆的这一学说主要是从力学、化学等方面对地球起源进行了认真地探讨,并通过湍流粘滞理论计算了星云盘的演化。
2.戴文赛学说。五十年代,戴文赛提出了角动量斥力圆盘理论。
3.萨夫隆诺夫(В.С.СаФронов)和林忠四郎(C.Hayashi)的学说。他们的这一学说主要是湍流形成圆盘、环的理论。
4.普伦蒂斯(A.J.R.Prentice)—新拉普拉斯说。他提出了新的冷星云湍流说。
5.乌尔夫逊(M.M.Wolfson)的浮获说。他提出了小质量恒星天体相遇灾变说。
6.阿尔文(H.Alfv閚)的电磁说。这一学说是以太阳早期存在强磁场作用的行星形成理论的。
以上这些理论各具特色。但是,一直都没有得到公认。那么,能够令人信服的太阳系起源说必需阐明下列主要问题:
1.原始星云的由来和特性。
2.原始星云或星子的形成过程。
3.行星的形成过程。
4.行星轨道的特性:共面性、同向性和近圆性。
5.提丢斯—波得(Titius~Bode)定则。
6.太阳系的角动量分布。
7.三类行星:类地、巨行、远日行星的大小、质量、密度方面的差别。
8.行星的自转特性。
9.卫星及环系的形成。
10.小行星的起源。
11.彗星的起源。
12.地-月系统的起源。
自从八十年代后期以来,科学家们对太阳系起源也就有了一个倾向性的认识。我们将这个倾向性的认识合理地细分为若干个演化阶段,加上深入地分析。这样以来,太阳系的起源问题就能够很清晰地展现在人们面前。
大约在50亿年前,邻近地球的太阳星云(这个星的物质将要形成我们的太阳系)中有一颗质量比我们的太阳要大出许多倍的恒星,将要耗尽它核心部分的氢燃料时,由于缺少足够的能量来支撑自身,这颗恒星发生了坍缩。奇妙的是,这种坍缩产生了另一种类型的能量——重力势能,即使一个物体在重力作用下得以运动的那种能量。大量重力势能的释放,使恒星变得极其炽热,引燃了它的氦。在这个可怕的炼狱里,产生了从锂到铁的一切中等重量的元素。
后来,恒星的氦储备也耗竭了,其核心猛烈坍缩,发送出冲击波,穿过银河系的这部分空间。冲击波的能量快速地铸造出金、铀等重元素。把轻元素与中重元素转变为重元素的热核反应爆发出一颗超新星——犹如银河系中的原子弹。爆炸使恒星炸开,新生物质被抛射到外面的星云中去。随着超新星的爆炸,可怕的冲击波通过粉碎、压缩作用,产生了巨大的恒星云。
在附近的恒星云中,有一个恒星云变成了我们的太阳系。冲击波引起了不可思议的扰动,释放出各种类型的能量。重力把移动物体朝里面拉,发出重力势能。尘埃与气体颗粒越来越接近,小粒子形成大颗粒,同时释放出动能。运动中的物体具有动能,一旦静止不动时,动能就要释放出来。在宇宙碰撞事件中,动能是非常重要的角色。
几种过程互为补充,形成了我们的太阳系。重力继续不断地把物质吸引到星云的核心,进一步增加了它的重力。角动量(自旋物体的旋转能)使星云转得越来越慢。星云的大部分质量集中于其中心,剩余的一部分质量形成一个巨大的碟子,向外作螺旋运动。碟子里储存着太阳系的全部化学元素,包括“大爆炸”开始时的氢与氦,加上多次超新星爆发时生成的元素。制造生命的材料——简单有机分子在星云里也有。
太阳星碟不断分崩离析,一阵阵新释放的能量爆发使温度缓慢升高。大约5000万年以后,星碟核心达到极高温度,开始了由氢聚变为氦的热核反应。太阳燃烧起来了。
在燃烧的恒星中,气体压力大大增强后,重力坍缩停止了。太阳星碟中的温差很悬殊,从中心温度的20000℃以上直到边缘的-270℃,后者就是我们太阳系外缘目前的温度。物质在逐渐冷却的星碟中凝聚,重力把最重的元素集中到中心。这些金属与岩石化合物成了内行星的组成成分。与此同时,太阳附近较轻的气态元素汽化而挥发了。在星碟较冷的外缘,挥发物较为稳定,它们互相化合,产生了水、甲烷、氨等化合物。
在太阳星碟内部,分子碰撞后聚合成颗粒,后者又会产生砂砾、岩石与球石。物体增大以后,它们的撞击烈度也有所增加。千万年过去了,卵石成了微星,岩石的直径也可达到数十公里。较大的微星,其引力场已经相当强,足以吸引较小的物体。这样演变的结果,最后留下的只有庞然大物,而它们之间的碰撞逐步形成行星。内行星的生长、增大正是通过星碟内部不断添加金属与岩石而成。外行星则是由太阳系外缘部分的岩石与冰块的微星聚合而成的。
我们的太阳与行星大体上是在46亿年前同时形成的。科学家们认为行星的聚合需要1亿年左右,较大的外行星更长些,而较小的内行星则稍短些。
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