Ⅰ 幫我找太陽系的有關資料
太陽系的形成過程
太陽系的形成和太陽自身演化密不可分,太陽的形成要經歷三個時期五個過程,即星雲時期、變星時期和主序星時期,五個過程是冷凝收縮過程、快引力收縮過程、慢引力收縮過程、耀變過程和氫燃燒過程,而行星的形成僅僅是太陽演化過程中的副產品,也就是太陽演化到某個階段才形成了行星和衛星等天體。這是個非常復雜的演化過程,既有規律性,又有特殊性,還有偶然性,本文只略述太陽系的形成過程,不作理論推導和復雜的數學計算,只給出計算的結果。
星雲時期(包括冷凝收縮過程和快引力收縮過程)太陽系是銀河系的一部分,距銀心2.5萬光年,在獵戶旋臂附近,太陽帶領她的大家族以250公里/秒的速度繞銀河中心旋轉,周期約2億年,50億年之前若干億年太陽系原始星雲就在這個位置上。她是巨大的銀河系原始氣體雲團(即星際雲)冷縮斷裂後分離出來的一小塊星雲,有初始速度和一定溫度(不是高溫),星雲直徑約3000天文單位,其實星雲沒有明顯的邊界,是個彌漫的氫氣團,密度很低,約10.17克/厘米3,星雲質量是太陽質量的1.5——2倍,溫度在300K以下,有自轉,但很慢,幾乎和公轉同步,星雲主要成分是氫,佔71%,其次是氦佔27%,其它各種元素佔2%,這裡麵包括從超新星爆發飛來的重元素和金屬物質,還有揮發性物質和塵埃等。太陽系原始星雲繞銀河系中心運轉,一開始就有角動量,在冷凝收縮過程中自轉加快,就使自轉不再與公轉同步,又由於星雲內側和外側到銀心距離不等,在繞銀心做開普勒運動時形成速度梯度,里快外慢,出現較差轉動,星雲在銀心的潮汐力作用下發生湍動,並形成大大小小的渦流,各個渦流之間相互碰撞和兼並,又形成大的渦旋,最後形成一個更大的中心旋渦,由於星雲繼續緩慢的冷凝收縮,旋渦自轉速度逐漸加快,大量物質開始向旋渦中心匯聚,致使中心區物質密度增大,引力增強,形成中心引力區,於是物質又在引力作用下加快向中心旋落,星雲的冷凝收縮逐漸被引力收縮所代替,這時星雲已由原來的3000天文單位縮至70天文單位,大約經過幾十億年的時間,其間星雲體溫度下降到幾十K,物質損失較大,部分物質散逸到宇宙空間。
隨著星雲中心引力區的增強,加快了物質向中心旋落,形成了星雲坍縮,進入快引力收縮過程。在星雲內部物質從四面八方沿著渦旋方向迅速向中心下落,形成粗細不同的螺旋線式的物質流,星雲也逐漸拉向扁平,形成闊邊帽式的園盤,螺線狀的物質流逐漸演變成四條旋臂,只要角動量不足就不會形成圓環,只能形成旋臂。從正面看猶如縮小的銀河系,成旋渦結構,從側面看類似NGC4594天體(M104),在平行總角動量軸的方向上收縮不受限制,坍縮迅速,增加的引力勢能轉變為物質的內能,而在赤道平面上收縮受到限制,這是因為受到離心加速度的作用削弱了引力,使收縮緩慢,才形成中央凸起四周扁平的帶有旋臂的園盤,從總體看星雲仍在繼續收縮,角動量仍然向旋臂和中心區轉移,當內旋臂收縮到距中心5.2天文單位時,轉速逐漸達到13.1公里/秒,自轉產生的離心力和中心區的引力相平衡,旋臂就停留在這一位置而不再收縮,但中心區的物質繼續快速收縮,中心區與旋臂發生斷裂,中心區繼續收縮形成原太陽,占星雲總質量的99.8%,而四條旋臂的質量還不到0.2%,此時原太陽對旋臂仍有很強的引力作用,同樣旋臂也對原太陽有牽製作用,原太陽的自轉受到滯後作用,轉速漸漸減慢下來,把原太陽的角動量又轉移到旋臂上,這時旋臂上物質只要角動量不足還會繼續向中心旋落,但到達內旋臂處就不能再落下去了,因此內旋臂物質積累越來越多,而外旋臂物質相對減少了。當四條旋臂逐個達到開普勒軌道速度就演變成四道園環,園環位置按提丟斯—彼得定則分布,分別在木、土、天、海軌道位置上,它們的角動量占星雲總角動量的99.5%,這就是太陽系角動量分布奇特的原因。以此種方式形成的拉普拉斯環不存在所需角動量不足的困難。 中心區坍縮成原太陽,物質密度增大,分子間相互碰撞頻繁,產生的內部壓強逐漸增大,使核心處物質擠壓在一起形成星核,並釋放大量能量,中心溫度升高,增加的熱能通過對流方式向外傳播,星體呈現微微放熱狀態,整個星雲體類似獵戶座KL紅外源區一樣的天體。星雲時期的快引力收縮過程歷時很短,大約幾千年,我們常說太陽有50億年的歷史,大概就從這時算起吧。
變星時期(包括慢引力收縮過程和耀變過程):星雲形成四道園環後,絕大部分質量都集中在中心區百分之一天文單位范圍內,物質密度大增,分子間相互碰撞更加頻繁,溫度升高,壓強增大。當內部輻射壓和自吸引力接近相等時出現准流體平衡,星體不再收縮或者僅有微小脈動收縮,太陽的雛型基本形成,中心是快速旋轉的堅實星核,核外是輻射區,再往外到表面是對流層,原太陽逐漸轉入慢引力收縮過程。
原太陽內部物質運動非常復雜,因物質是氣態流體,與剛體大不一樣,在自轉中出現了許多復雜的運動狀態,因慣性離心力的作用赤道物質有拉向扁平的趨勢,兩極處物質必向赤道方向流動,極處物質減少了,但引力的作用是維持球形水準面,所以也必有物質向兩極處流去,以補充那裡的物質不足,於是在赤道兩側形成旋轉方向不同的渦流,並隨物質流動漸漸靠近赤道,這就是有名的蝴蝶圖,這種狀態直保持到現在,如太陽黑子運動。隨物質對流和自轉相互作用,角動量向赤道轉移,從而形成星體的較差自轉。核心處高密高壓和高溫不斷增加,擾亂了熱平衡梯度,通過混合長把動能和熱量向外傳輸,溫度較低的物質向下沉,形成對流,並發展為從內到外的湍流。當中心溫度上升到2000K時,氫不能保持分子狀態,而變成原子,並吸收大量熱能,促使壓力驟降,抵不住引力,中心區崩陷為體積更小密度更大的內核,並產生強烈的射電輻射,這些能量輻射可從星體稀薄處穿過而到達星體表面,因而可形成一些亮條,這就是H——H式天體。
星體內部不僅有高速運動分子產生的熱能,還有原子級釋放的電磁能,核心溫度更高,星體自轉雖然減慢下來,但星核還是快速自旋,核區附近的等離子體也隨之快速旋轉,星體磁場產生了,磁力線從兩極附近穿出,星體這時產生了射電輻射,而內部熱能不斷傳送到表面,表面溫度可達1000K,並放射紅光,這種能量傳遞時起時伏,表面溫度也就忽高忽低,表現的星等就是忽大忽小的變化。有時能量積累到一定程度還會發生猛烈地噴發,拋出物質,在幾天之內星等可上升5、6個等級,這個時期相當於金牛T型變星期或者類似鯨魚座UV型耀星期,即為耀變過程。
原太陽中心區的溫度逐漸升高,當達到80萬K時,氫被點燃發生核聚變,首先是氫和氘聚變為一個氦核,產生光子並釋放大量核能,突然猛增千百倍能量,必將產生猛烈地噴發,星體亮度也就突然增亮好多倍,這就是耀星或新星爆發,原太陽進入耀變過程,在這期間內發生過多次猛烈地噴發,釋放大量能量和拋射物質,並帶走一部分角動量,比較大的噴發有四次。因太陽質量不算太大,就沒有更大的全面爆發,僅僅是局部噴發而已。
噴發是從星體內部核反應區開始的,那裡的星核自轉非常快,可達每秒數百公里。物質具有極高的能量,因此噴出物高溫高速,第一次噴出物的質量約是太陽質量的百萬分之三,溫度一萬多度,噴出速度高達每秒616.5公里,呈熔融半流體狀態,高速自旋,在飛離原太陽過程中邊降溫邊減速,當它到達目前金星軌道處速度剛好與開普勒軌道速度同步,便留在軌道上繞原太陽運轉。僅過幾十年,原太陽又發生第二次噴發,噴出物比前次略多些,仍是高溫熔融狀態,高速自旋,初速度比前次略大,當它進入到現今的地球軌道處便繞原太陽運行。又過數百年,原太陽又發生第三次噴發,這時的星核溫度進一步增高,達300萬度,發生氘、鋰、鈹、硼等核反應,釋放能量更大,噴出物質沒有前兩次多,但初速度卻大些,其中最大的一個團塊進入到現今的火星軌道上,更多的碎塊遍布在木星和火星軌道之間,經過三次噴發,原太陽處於暫時休頓狀態,持續幾千年,但星體中心溫度仍在繼續升高,當達到700萬度時發生四氫聚變氦的質子——質子反應,釋放大量光子和能量,原太陽發生第四次猛烈噴發,這次噴發物是太陽質量的千萬分之二,初速度比前三次都大,因此飛出更遠,其中一塊較大的噴出物撞擊在天王星邊緣,濺起的物質碎塊抵達海王星軌道處,更多的碎塊遍布太陽系空間,有的飛出海王星的外側。這時原太陽表面溫度上升到數千度,放熱發光。一個光芒四射的恆星即將誕生。原太陽在變星時期大約有4億年。
主序星時期(包括氫燃燒過程和未發生的氦燃燒過程):原太陽經過幾次耀變逐漸趨於穩定狀態,進入氫燃燒過程,釋放核能,星核中心核反應區溫度可達1500萬度,核反應出現碳氮循環反應,但大量的還是質子——質子反應,核中心密度達160克/厘米3,中心壓力3.4×1016帕,抵住星體的引力收縮,達到新的熱平衡梯度,不再發生噴發現象,進入相對穩定期。這時星體表面溫度達5770K,成為G型星,太陽輻射主要是電磁輻射和帶電粒子流,外層大氣不斷發射的穩定粒子流——即太陽風,驅散星周物質,使太陽更加明朗了,成為一顆年輕的主序星。太陽在主序星期已有46億年了。太陽活動仍在繼續中,表現為11年一個周期,說明太陽還在繼續演化中。當太陽中心溫度達到1億度,氦核聚變為碳核和氧核反應,進入氦燃燒過程。
類木行星和規則衛星的形成:原始星雲在快引力收縮過程形成的四道園環,恰在海、天、土、木四顆類木行星的軌道上,環內物質受中心天體的引力作用有向內運動的趨勢,還受慣性離心力作用有向外運動的趨勢,同時還有開普勒較差轉動的影響,必造成環物質形成大大小小的渦流,並相互碰撞和兼並,由小渦流變成大漩渦,最後形成一個帶有若干條旋臂(至少有四條大旋臂)的大旋渦和孤立的小漩渦,物質向漩渦中心匯聚,形成中心引力區,加快了引力收縮,自轉速度更快了,慣性離心力也就更大了,當離心力和中心體引力平衡時,星體就不再收縮,旋臂的旋轉速度達到開普勒軌道速度時就演變成衛星園環,形成闊邊帽式的天體,又經過引力吸積,清除行星軌道環上的物質,逐漸演變成原行星。 原始星雲密度是梯度分布,越往裡密度越大,外部密度小,還因部分物質向內轉移,所以外側兩道環形成的兩顆行星質量就小,這就是海王星和天王星,內側兩道環形成的兩顆行星質量就大,這就是土星和木星,各行星內部都有堅實的星核,溫度高達數千度,最高可達3萬度,中心壓力為1012帕以上,但還不夠點燃氫的條件,沒有發生核聚變反應,產能機制仍然是引力勢能轉變而來的熱能和釋放原子級的電磁能,星核的高速旋轉形成磁場,內部熱能通過對流傳送到星體表面,因此類木行星都有放熱現象和強度不同的射電輻射。木星的大紅斑便是內部熱能向外傳輸過程中形成的渦流,類木行星表面溫度都很低,呈液態狀,因星體是在收縮過程中形成的,為保持角動量守恆,自轉就快一些。
中心體形成行星之後,周圍的衛星園環在遠離洛希極限處只要達到洛希密度都可以形成衛星,孤立的小漩渦也能形成小衛星,這樣的衛星都是規則衛星,但在洛希極限附近及內側受本星體的潮汐作用,不會形成衛星,只能以環的形式存在,因此四顆類木行星最初都有一個龐大壯觀的光環。
類地行星、月球和冥王星等的形成:原太陽在耀變過程有四次猛烈地噴發,高溫熔融半流體狀的噴出物在進入金星、地球和火星軌道處繞原太陽旋轉,成為原行星。在金星軌道的原行星質量約為5.2×1027克,半徑6165公里,自轉周期2.72小時,自轉線速度為3.95公里/秒,由於原星體是從高溫熔融狀態凝固而成,所以星體成粘稠狀,粘滯系數很大,這時星體內部還沒有發生分異作用,在高速自旋中受慣性離心力的作用將星體拉成長球形,同時在原太陽引力的長期攝動下,長球形又逐漸變成一端大一端小的紡錘形,隨時間推移,紡錘形被拉開形成兩顆姊妹星,一大一小,互相繞著轉。根據角動量守恆原理,二星距離逐漸增大,繞轉速度就變慢,當二星相距60萬公里時,它們繞質心的自轉幾乎和繞太陽的公轉同步。當二星距離接近61.6萬公里時,小星繞到大星的內側(即靠近原太陽這邊),太陽對小星的引力等於兩顆姐妹星之間的引力,小星就不再轉到大星的外側了,而是二星共同繞原太陽公轉,這時二星自轉周期與公轉周期相等。但開普勒軌道是離太陽近速度大,離太陽遠速度小,在內側的小星軌道速度比大星軌道速度大,小星逐漸運行到大星的前面,同時在引力磨擦作用下將大星拉轉成逆向自轉,而自身也拉成順向自轉,但自轉很慢,隨時間推移,小星漸漸離開原有軌道而進入一條新的繞太陽軌道,又經過若干周期形成了今天的水星軌道,原有的姊妹星變成了金星和水星。因此水星的偏心率和傾角都大,自轉周期略小於公轉周期,而留在原軌道上的大星就是金星,它被拉成逆向自轉,同時拉斜一點,傾角略微偏大一些。
進入到地球軌道的第二次噴出物質量是6.05×1027克,半徑為6444公里,自轉周期5小時,自轉線速度2.2公里/秒,和上次同樣,從高溫熔融狀態凝固而成,星體內剛好要發生分異作用,受快速自轉的離心力作用和太陽的攝動,也是分離成一大一小的姊妹星,互繞質心共同轉動,由於太陽長期攝動,二星距離漸漸拉大,自轉也就逐漸變慢,直到今天地球和月球的位置,地球自轉周期為24小時,月球自轉和繞地球公轉同步,總是一面朝向地球。地月分離證據可在月球上找到,在月球朝向地球一面有個300米高的突起部分便是地月分離處的證據,地球上的分離處不易看到,其位置可能在非洲,而不象有的人所說月球是從太平洋分離出去的,如今月球仍以每年3厘米的速度遠離地球,可以推想再過若干萬年月球也會從地球身邊跑掉,而進入太陽系內成為一顆新行星。
原太陽的第三次噴出物有一大塊進入火星軌道後形成了火星和火星衛星,但是火星的衛星後來遭受一次小行星的猛烈碰撞,將它撞裂,並使軌道向火星方向內移,形成了今天的火衛一,另一碎塊成為火衛二。
噴出物還有大量碎塊進入火星和木星軌道之間,逐漸冷凝形成小行星。
還有一些碎塊被類木行星俘獲形成不規則衛星,當然也有碎塊和塵埃進入光環和降落在其它天體上。
原太陽第四次噴發比前三次猛烈得多,噴出物數量與第三次的差不多,初速度較大,噴出的物質遍布整個太陽系空間,其中有一大團塊快速自旋,質量約是冥王星的30倍,以617.49公里/秒的速度從原太陽噴發而出,進入到天王星軌道時正從天王星自轉軸上方斜沖下來,撞擊在天王星邊緣上,把它的角動量傳遞給天王星,並隨天王星一起轉動98°角,使天王星躺在軌道上自轉,同時在撞擊處濺起兩大塊物質和若干碎塊,在從天王星區飛出時形成一列,速度逐漸減慢下來,在進入海王星軌道時,前面一個質量為1.3×1025克,速度為4.7公里/秒,緊跟在後面的一塊質量為1。77×1024克,還有一些碎塊,最後面的一個質量為2.2×1025克,速度為4。4公里/秒,它們正好從海王星內側(靠近太陽的一邊)相距36萬公里處飛過,而這個位置恰是海王星衛星的開普勒軌道,所以它們又被海王星俘獲為衛星,並從海王星前面繞過來,成為逆行軌道衛星,而前面的一個因為速度略大,形成的軌道偏心率就大,它的遠星點必在朝向太陽的方向,也許經過幾個周期(或者僅一個周期),當它到達海王星的遠星點時恰受太陽引力作用又繞太陽運轉,成為太陽的一顆新行星,這就是冥王星,同時把它後面緊隨而來的那個小塊一同帶走,成為繞冥王星的一顆衛星卡戎,所以冥王星軌道才有17°傾角和0.25的偏心率,其軌道又與海王星軌道有交會處。當然那個質量為2.2×1025克的大塊就繞海王星逆行,成為海衛一了。海衛一上面少有隕坑,說明它是較後期形成的,缺少隕星撞擊。
第四次噴發出來的碎塊物質遍布整個太陽系空間,有的被大行星俘獲成為衛星,有的降落在各天體上變成隕星,還有的進入到四顆類木行星的光環里和小行星帶里,還有一部分飛到海王星外側,形成柯伊伯帶。當然不排除後來有少量的彗星物質也進入到柯伊伯帶里,估計還會有一些碎塊飛出太陽系。