太陽系起源

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更新時間: 2013-09-16

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太陽系起源 - 正文   天體演化學的一個分支,研究太陽系是在什麼時間、由什麼形態的物質、以什麼方式、經歷怎樣的過程、用了多長時間形成的,是什麼原因產生太陽系的現有特徵和各類天體的。地球是行星之一,它的起源和早期演化是太陽系起源的一個重要內容。太陽系的中心天體──太陽是顆恆星,它的形成和演化與行星系的形成有密切關係,但一般作為恆星的形成和演化問題來研究。

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1 太陽系起源 -太陽系起源

 

2 太陽系起源 -正文

  天體演化學的一個分支,研究太陽系是在什麼時間、由什麼形態的物質、以什麼方式、經歷怎樣的過程、用了多長時間形成的,是什麼原因產生太陽系的現有特徵和各類天體的。地球是行星之一,它的起源和早期演化是太陽系起源的一個重要內容。太陽系的中心天體──太陽是顆恆星,它的形成和演化與行星系的形成有密切關係,但一般作為恆星的形成和演化問題來研究。
  自1755年康德提出第一個太陽系起源的星雲說以來,已有四十多種學說,但其中還沒有一種學說是比較完整的和被普遍接受的。任何科學的太陽系起源學說都必須從觀測事實出發,受觀測事實的檢驗,並能圓滿地說明現今太陽系的主要特徵。
  太陽系起源學說的分類 
 行星的物質來源和行星的形成方式,是太陽系起源的兩個基本問題。根據對行星物質來源的看法,可以把各種學說分為三類:①災變說或分出說,認為行星物質是因某一偶然的巨變事件從太陽中分出的,例如由於另一顆恆星走近或碰到太陽,或者由於太陽爆發,從太陽分出的物質後來形成行星。②俘獲說,認為太陽從恆星際空間俘獲物質,形成原行星雲,後來演變成行星。③共同形成說,認為整個太陽系所有天體都是由同一個原始星雲形成的,星雲中心部分的物質形成太陽,外圍部分的物質形成行星等天體。俘獲說和共同形成說的共同點是星雲集聚形成行星,常合稱為「星雲說」。每一類又都有幾種學說,各有各的具體內容。
  對於行星的形成方式問題大致有五種看法:①先形成環體,然後由環體形成行星。②先形成很大的原行星,原行星演化成行星。③先形成中介天體,由中介天體結合成行星。④先形成湍渦流的規則排列,在次級渦流中形成行星。⑤先凝聚成大大小小的固體塊──星子,星子再集聚形成行星。
  研究簡史  對太陽系起源問題的研究可追溯到十七世紀中葉。1644年,法國哲學家和數學家笛卡兒在《哲學原理》中提出渦流學說,他認為在太初的混沌中,物質微粒獲得渦流運動,在渦流中形成太陽、地球、行星和衛星。1745年,法國動物學家布豐提出第一個災變說,他認為曾有一顆彗星撞到太陽上,撞出的一部分物質形成了行星。雖然這兩個學說科學價值不大,但是給宣揚上帝創世的宗教勢力以很大震動,有啟蒙作用。
  第一個比較科學的太陽系起源學說是康德的星雲說,這是他在 1755年 31歲時匿名發表的《自然通史和天體論》(中譯本名為《宇宙發展史概論》)一書中提出的,但當時沒有引起公眾注意。1796年,法國數學和力學家拉普拉斯在《宇宙體系論》一書的附錄中,提出另一個星雲說,由於他在學術上的聲望,這一學說得到廣泛的傳播。於是,四十一年前康德的書又被人們提起,得到再版流傳。雖然康德和拉普拉斯兩個星雲說有許多不同點,但他們的主要觀點相似,即認為整個太陽系是由同一個原始星雲形成的(見康德和拉普拉斯星雲說)。
  十九世紀末到二十世紀四十年代初,由於星雲說無法解釋太陽系角動量特殊分佈等問題(見太陽系),各種災變說一度盛行起來,如美國張伯倫和摩耳頓的星子說、英國金斯的潮汐說、傑弗里斯的碰撞說、里特頓等人的雙星說以及霍伊爾的超新星說等,這些災變說基本上都被否定了。
  1944年,蘇聯地球物理學家О.Ю.施米特提出了關於太陽系起源的一種俘獲說──隕星說。後來,愛爾蘭的埃奇沃思、英國的彭德雷和威廉斯、印度的米特拉各自提出了不同的俘獲說。這些學說的共同點都是認為太陽從鄰近空間或銀河系中俘獲物質,最後形成了行星系。
  1944年,德國物理學家魏茨澤克提出「旋渦說」,認為太陽形成后,被一團氣體塵埃雲環繞著,雲因轉動而變為扁盤,盤中出現湍流,形成旋渦的規則排列(見圖)。他取每個同心環內有 5個旋渦,在相鄰兩環之間出現的次級旋渦里形成行星。後來特哈爾進一步發展了旋渦說。現已證明,星雲中沒有足夠能量來維持湍流,旋渦會很快擴散而消失,因此這種學說難於成立。1949年,美國天文學家柯伊伯提出「原行星說」,認為星雲盤中發生引力不穩定性,瓦解為一些大的氣體球──「原行星」,例如,原地球質量為現在地球的500倍,原木星質量為現在木星的20倍。原行星中心部分的氣體凝集成固體。離太陽較近的類地原行星的外部氣體被太陽輻射蒸發掉,只留下固體部分。離太陽較遠的類木原行星因質量大和溫度低,能夠保留一部分氣體,這樣就解釋了行星的物態。這一學說還認為衛星是由原行星俘獲周圍物質團塊形成的。從二十世紀四十年代以來,瑞典磁流體力學家阿爾文繼二十世紀初挪威的伯克蘭和荷蘭的貝拉格之後,特別注重太陽系起源的電磁作用,提出了「電磁說」(見阿爾文學說)。1952年,美國化學家尤里認為星雲盤物質先集聚成平均質量為 1028克的中介天體。他著重討論了中介天體形成行星和隕星等的化學過程。1960年,英國天文學家麥克雷注意太陽系起源與恆星起源的聯繫,認為星際雲收縮到密度達4×10-12克/厘米103時,因銀河系、鄰近恆星和星雲的潮汐作用,瓦解為許多雲絮,大部分雲絮聚成太陽,留在外邊的雲絮繞太陽轉動,碰撞結合成行星。1962年,法國天文學家沙茲曼提出太陽在演化早期拋射帶電粒子,它們在太陽磁場作用下運動,能夠有效地轉移掉太陽角動量,許多人引用這種「沙茲曼機制」來解釋角動量特殊分佈問題(見磁耦合機制和沙茲曼機制)。沙茲曼、美國的卡梅倫、蘇聯的薩夫龍諾夫、日本的林忠四郎以及英國的霍伊爾等人的新星雲說都較詳細地論述了行星形成問題,在國際上比較受重視。中國對太陽系的起源問題也進行了一系列的研究。
  研究成果  星際航行開始以來,太陽系物理學迅速發展,有關太陽系起源的資料大量增加,太陽系起源研究進入了從一般的定性假說到定量分析,從探討個別問題到對大量資料作全面、系統地綜合研究的新時期。雖然各種學說之間有許多差別,但在某些方面卻又彼此相近,有以下幾點共同認識:
  ① 太陽系的年齡  根據對恆星形成和演化的研究推斷,太陽是約50億年前由星際雲(氣體塵埃雲)瓦解后的一團小雲(原始星雲)塌縮形成的,它經歷了約4,000萬年的引力收縮階段,其中包括幾百萬年的金牛座T型變星階段,平均每年拋出10-6~10-8太陽質量的帶電粒子。從地球和月球的古老岩石和隕石的同位素年代分析得知,地球和月球約在46億年前形成。因此,太陽系應在距今50~46億年前形成。
  ② 太陽系穩定性問題 這個問題雖尚未解決,但根據天體力學研究推斷,大行星軌道在20億年前和現在沒有很大差別;相反,小天體(小行星、彗星、流星體)的軌道則發生了較大的變化。
  ③ 大行星發生過地球史所經歷的那樣地質變化,因此,大行星現在的狀況與形成時的狀況是不同的。小天體形成以來變質過程較少,保留了較多的形成時的信息。因此,近年來特別注意小天體的研究。根據對隕石的分析已可以看出小天體的演變史,它們形成時的溫度為400~500K,形成的時間為幾百到幾千萬年。
  ④ 碳質球粒隕石的難揮發元素的丰度與太陽大氣相近似,一般認為木星的化學組成與太陽大致相同,原始星雲的化學組成最初是較均一的,後來才發生化學分餾,導致各行星化學組成的差異。
  ⑤ 月球、水星和火星上的大多數凹坑,是39億年前隕星撞擊形成的。一般認為星雲盤內的固體顆粒(塵粒和冰粒)先沉降到赤道面,形成塵層。隨著密度的增加,便在塵層內形成星子。
  ⑥ 一般認為行星系統的起源與太陽早期演化有關,太陽磁場通過磁耦合機制和沙茲曼機制使太陽角動量轉移,造成太陽系角動量的特殊分佈。
  ⑦ 一般認為對太陽系起源的研究不僅要考慮動力學過程,而且應當考慮原子過程、化學過程及電磁和等離子體過程,應當綜合大量有關資料,並和有關學科結合,才能解決這一困難問題。
  參考書目
 戴文賽:《太陽系演化學》(上),上海科學技術出版社,上海,1979。
 H.Reeves ed.,On the Origin of the Solar System, C.N.R.S., Nice,1972.
 S.F.Dermott,The Origin of the Solar System,John Wiley and Sons,New York,1978.

 

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