天體演化學

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更新時間: 2013-10-17

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天文學的一個分支,研究各種天體以及天體系統的起源和演化,也就是研究它們的產生、發展和衰亡的歷史。

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天體演化學天體演化學
天文學的一個分支,研究各種天體以及天體系統的起源和演化,也就是研究它們的產生、發展和衰亡的歷史。天體的起源是指天體在什麼時候,從什麼形態的物質,以什麼方式形成的;天體的演化是指天體形成以後所經歷的演變過程。通常說的天體演化,往往也包括起源在內。

1 天體演化學 -簡介

天體演化學法國笛卡兒(圖)和布豐在1644年和1745年先後提出天體形成的看法
天體演化學(cosmogony)研究各類天體及天體系統的產生、發展和衰亡的天文學分支學科。與生命起源、物質結構並列,被稱為當代自然科學三大基本理論問題。按照不同層次可分:太陽系起源和演化、恆星起源和演化、星系起源和演化、宇宙起源和演化4個分支。由於涉及到幾十億甚至幾百億年的時間跨度和巨大的空間跨度,又必須同時運用多學科的理論,因而關於它們的起源和演化問題至今均未獲滿意解決。

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其中恆星起源演化進展最快,比較一致地認為:大星際雲在自吸引收縮中瓦解成許多小雲,幾乎每個小雲都會形成一顆恆星,其中間過程依次是:分子云、球狀體、赫比格-阿羅天體、原恆星、主序星。以後又沿紅巨星、變星(或新星)進入「晚期」,變成白矮星或中子星或黑洞。太陽系起源演化問題有了不少進展,但提出的各種假說中都存在著這樣那樣的不足之處。星系的起源和演化尚處於初始階段,存在兩種截然對立的學說:瀰漫說和超密說。前者認為是從星際瀰漫物質凝聚為星際雲,再形成恆星與恆星集團,最後組成星系,強調由稀到密的順序;超密說則恰恰相反,認為是由於性質未知的超密物質的爆發,拋出了眾多物質擴散開來而形成各類恆星,並形成星系盤及旋臂。

天體演化學天體,自然風景
雖然兩種學說都可解釋某些觀測事實,但與恆星起源、演化相聯繫,傾向於瀰漫說的更多。獲得的進展之一是肯定了星系哈勃形態分類的次序與演化次序無關。然而各類星系如何演化、旋臂是漸漸瓦解還是慢慢纏緊,至今還沒有任何理論可予說明。宇宙的起源和演化已有多種宇宙模型,但現在影響最大的是大爆炸宇宙學,而且它也能較多地說明觀測資料。宇宙今後的演化,是一直無休止地膨脹下去還是到一定時候會收縮,尚無一致的結論。

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天體演化學研究的內容包括:(1)太陽系的起源和演化,研究太陽系各類天體(主要是行星、衛星、小行星、慧星)的形成和演變,說明太陽系的現有特徵,一般側重於起源的研究;(2)恆星的起源和演化,對恆星的演化研究比較充分,認識比較一致;(3)星系的起源和演化,星系的起源與宇宙早期的結構和演化密切相關,研究歷史尚短、流派較多、遠未成熟;(4)宇宙的起源和演化,從整體角度研究宇宙的起源、結構和演化,提出了各種宇宙理論和宇宙模型;此外宇宙線起源、化學元素起源等也可作為天體演化的課題。

2 天體演化學 -發展簡史

天體演化學拉普拉斯(Laplace,Pierre-Simon,marquisde),是天體演化學的創立者之一
法國笛卡兒和布豐在1644年和1745年先後提出天體形成的看法。科學的天體演化學至今只有二百多年的歷史。十八世紀中葉以前,歐洲在學術思想上占統治地位的仍是萬物(包括天體)不變的僵化的自然觀。德國哲學家康德於1755年和法國數學家拉普拉斯於1796年各自提出了太陽系起源的星雲說,從而在僵化的自然觀上打開了一個缺口,這對自然科學和哲學都產生了重大影響(見康德和拉普拉斯星雲說)。

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到二十世紀,隨著科學技術的發展,不僅是太陽系,而且有關各類恆星、銀河系以及河外星系的觀測資料和新發現越來越多。隨著理論物理學各分支的建立,現代天體物理學發展起來了。天體觀測研究的新成果推動了天體演化學的發展。太陽系起源和演化的研究很活躍。在恆星的演化研究方面,取得重大突破。星系的起源和演化問題成為當前的科學前沿之一。

天體演化學是以天文學各分支學科為基礎的,它依據天文學、物理學、化學、地球科學、數學等學科的理論,利用各天體層次(行星、恆星、星系)的觀測資料,探討各種天體和天體系統的演變規律,闡述它們各種特徵的由來和發展。因此,不僅有天文學者,也有不少物理學、化學、地學、數學、哲學方面的學者從事天體演化的研究。

3 天體演化學 -研究內容

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天體演化學天體,自然風景
天體演化同物質結構和生命起源等基本理論問題有密切的關係,特別是同地球科學有更直接的關係,因此,天體演化的研究具有重要的理論與實踐意義。天體演化學的研究內容包括以下幾個方面。

太陽系的起源和演化  
研究太陽系各類天體(主要是行星、衛星、小行星、彗星)的形成和演變,說明太陽系的現有特徵,一般側重於起源的研究。自康德提出太陽系起源的星雲說以後的二百多年中雖然已有四十多種學說,但至今還沒有一種完善的理論被普遍接受。困難在於人們能直接觀測到的只是千千萬萬個行星系中的唯一的「樣品」──太陽系。有關太陽系的起源和演化的學說分為災變說和星雲說兩類:災變說認為行星的物質是因為某種偶然的巨變(如另一顆恆星走近或碰到太陽,或太陽爆發)而從太陽中分出來的;星雲說認為行星物質和太陽由同一原始星雲形成(共同形成說)或由太陽俘獲來的(俘獲說)。災變說在二十世紀上半葉盛行,現在基本上已被否定。近年來,一些星雲說學者的觀點逐漸接近。他們認為:太陽系是在約五十億年前從星際雲中分出的一個原始星雲形成的。原始星雲有自轉,在自吸引作用下收縮;中心部分形成太陽,外部形成星雲盤;盤中的塵粒和小冰粒沉降到赤道面形成塵層,集聚成固體塊──星子;星子結合成行星和衛星等。

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天體演化學白矮星-內部結構模型圖

恆星的起源和演化  
對恆星演化的認識比較一致。一般都主張瀰漫說:星際雲在自吸引收縮中碎裂為許多小雲,各小雲集聚成恆星。分子云、球狀體、赫比格-阿羅天體、紅外源、天體微波激射源可能是從星際雲到恆星的過渡性天體。恆星完成了引力收縮階段后,內部開始熱核反應,成為主序星;再經過較長時間(太陽約為一百億年)后變為紅巨星;然後經過不穩定的變星階段,通過爆發,由行星狀星雲變為白矮星,或通過猛烈的超新星爆發成為中子星;最後失去發光能力歸宿到黑矮星(有人認為也可能歸宿於黑洞)。恆星的質量愈大,演化就愈快。現在仍然有恆星在誕生。在恆星起源問題上,也有少數人堅持超密說,認為恆星是由超密物質轉化而成的。

星系的起源和演化  

天體演化學中子星-內部結構模型圖


也存在瀰漫說和超密說。瀰漫說認為,星系際瀰漫物質逐漸集聚成很大的星系際雲,然後分裂成較小的雲,形成各種大小不同的星系集團。這種說法能夠較滿意地說明銀河系的自轉、各星族的空間分佈和空間運動以及化學組成等方面的差別。超密說認為,銀河系最初是超密物質,它拋出的物質形成各星族的恆星、銀盤、銀暈和旋臂,而餘下的超密物質形成銀核(見銀心)。其他星系也都是超密物質形成的。超密說與大爆炸宇宙說相適應。有的學說認為星系類型序列代表演化序列(從橢圓星系向旋渦星系、不規則星系演化,或者反向演化);有的學說主張星系演化與初始條件(角動量或質量、密度等)有關。關於星系起源演化問題還沒有定論,有待進一步探討。

宇宙的起源和演化  
常與宇宙模型一起在宇宙學中論述。而關於宇宙的起源和演化常與宇宙模型一起在宇宙學中論述,這方面的有大爆炸宇宙學等學派。有些科學家從物質形態轉化的角度看,將宇宙線起源、化學元素起源等問題也作為天體演化的課題。

4 天體演化學 -分支學科

天文學、光學天文學、射電天文學、紅外天文學、X射線天文學、恆星天文學、空間天文學、天體物理學、恆星物理學、太陽物理學、行星物理學、天體力學、天體動力學、宇宙學、宇宙化學、大爆炸宇宙學、天體測量學、實用天文學、天文史學、考古天文學。

5 天體演化學 -參考資料

[1] 大科普網 http://www.ikepu.com/astronomy/astronomy_branch/cosmogony_total.htm
[2] 天津諮詢服務網 http://www.smetj.gov.cn/zixun/disp_bc.asp?id=958

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