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太阳系的起源及其各个演化阶段(组图)

  太阳系的起源是一个关于这个世界的本原问题,它从一开始就不是一个纯天文学问题。人们为了揭开这个迷,曾经历尽艰辛;许多人为此贡献出自己的毕生精力,有人甚至献出了生命。人类永远不会忘记那些曾经为理解我们这个世界而做出过重大贡献的人们。他们有:哥白尼(N.Copernicus)、布鲁诺(G.Bruno)、牛顿(I.Newton)、康德(I.Kant)、托勒密(C.Ptolemaeus)等等。
  人类进入到廿十一世纪。如果用科学技术进步的脚步来看人类的廿十一世纪,人类取得了非常巨大的进步。特别是对我们生存着的太阳系,我们已经知道得很多很多;我们已经踏上了月球,我们也认为我们的使者已经拜访了除冥王星以外所有的大行星。在以下文中,想用人们基本公认的有关太阳系起源的知识,初步给出太阳系演化阶段的自然分段,列出各阶段有争议问题的要点,并且给出尽可能合理地解释,供探讨。

  一、太阳系起源的基本知识

  1543年哥白尼在《天体运行论》中提出日心学说后,他无畏的科学精神一直鼓励着人们对太阳系的认知和对自然界本原的探索。
  1644年笛卡尔(R.Descartes)在《哲学原理》中认为,太阳系是由物质微粒逐渐获得旋涡流式运动,而形成太阳、行星及卫星的。

  1745年布封(G.L.L.de.Buffon)在《一般和特殊的自然史》中首次提出灾变说,质量巨大的物体,如彗星,曾与地球碰撞,太阳物质飞散太空,后来形成地球与其它行星、卫星。

  1755年康德《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。
中心形成太阳,由于斥力的增加,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年拉普拉斯(P.S.deLaplace)《宇宙体系论》也提出星云说,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,便分离出旋转气体环。再次重复,生成多个气体环。最后,星云中心形成太阳,各环形成行星。热的行星同理形成卫星。

  早期的星云说,科学界统称康德—拉普拉斯说,该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。

  因此人们又转向灾变说。1900年张伯伦(T.C.Chamberlain)提出新的星子说,摩尔顿(F.R.Moulton)发展了这个学说。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。后来还有金斯(J.H.Jeans1916)提出的“潮汐假说”与以上学说略同。

  关于太阳系起源的假说,可以说是种类繁多。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,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。归纳起来有以下六个学说的影响最大。

  1、卡米隆(A.G.W.Cameron)学说。六十年代以来,卡米隆从力学、化学等方面对地球起源进行了认真探讨,并用湍流粘滞理论计算了星云盘的演化。

  2、戴文赛学说。五十年代提出的一种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。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。冷星云湍流说。

  5、乌尔夫逊(M.M.Wolfson)的浮获说。小质量恒星天体相遇灾变说。

  6、阿尔文(H.Alfvén)的电磁说。以太阳早期存在强磁场作用的行星形成理论。

  虽然以上理论各具特色,但是都没能得到公认。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。

  八十年代后期以来,科学家们对太阳系起源有一个倾向性的认识。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。太阳系的起源会非常清晰地展现在我们面前。

  二、星云演化阶段

  我们现在掌握的天文学知识,对于恒星的起源、恒星的青年期、壮年期、老年期都有了非常清楚地认识。如果有人说,恒星是由星际星云物质演化而来的。这在大多数有天文学知识的人来讲,对这种说法都不会提出异议(天文学界有争议)。
  太阳也是由星云物质演化来的,它处在距离银河系中心2.7万光年的猎户旋臂上。

  在46-50亿年之前,星际弥漫物质分布不均匀,物质的密集区成为星际云。在外界因素的触发下,星际云发生自吸引收缩。当密度足够大时,星云际云出现不稳定,瓦解成为多个小星云。其中猎户臂上的一块小星云,质量约为1.03M⊙,该星云就是以后演化成太阳系的星云。该星云中心温度100K,其余大部分的温度均在10K以下。初始角动量2×1052~5×1052克·厘米2·秒-1。

  对星云演化阶段的演化过程,大多数学者对其没有太大的分歧。最具争议的是外界触发因素,一般认为有以下几种星云收缩触发机制。

  1、星云间碰撞产生激波压缩。

  2、银河螺旋密度波通过星际云时产生的激波。

  3、邻近超新星爆发产生的激波。

  4、其它强星云收缩激发附近稠密的星云。

  许多人都认为是超新星爆发而激发太阳星云收缩的。但是,在有千亿颗恒星的银河系里,每年都会有不少颗恒星诞生。超新星激发而产生恒星的情况并不多见。而在银河系旋臂附近的星际物质,有相对银河系中心每秒几百千米的速度动量,少许有一点波动或激波,就足以产生使太阳星云收缩的自转角动量。

  太阳星云演化阶段的主要星云物质所在范围约为3~10万个天文单位(天文单位:现在地球至太阳间的距离)。星云演化阶段的时间约为108年。

  三、星子演化阶段

  当太阳星云极度收缩,大多星云物质范围在1~3万个天文单位,有98%以上的物质都已收缩到一个天文单位内时,太阳系星云进入星子演化阶段。

  在这个演化阶段,大多数太阳系起源理论,对星云中心由星云物质收缩成星子,再由星子聚集质点形成太阳的观点没有异议。而对太阳以外星子和星云物质所在星盘的形成,提出各种观点。

  许多理论都认为在盘上形成了环。1、卡米隆学说,湍流粘滞环。2、魏茨泽克(C.F.Weizsaker)的流体力学旋涡环。3、戴文赛的离心力环。4、普伦蒂斯的力学环。等等。

  还有理论认为全部星云物质都形成了太阳。如,张伯伦的恒星相遇说,金斯的潮汐说,乌尔夫逊的俘获说,阿尔文的电磁说等。

  依据我们对各类星云的观测经验,星云形成环的可能性极小,而且太阳星云初始运动也没有促使其形成环的因素。不过,星云盘收缩时形成旋臂是极常见的现象,旋臂使星云的密度产生了疏密差异。密度大的地方星云物质开始聚积成星子。

  有人会问,谁说星云不能生成环,土星不是有环吗?在太阳没有燃烧以前太阳完全可以有环。但是,土星的赤道环和太阳星云盘形成的环差异太大。依据洛希极限(Roche’sLimit)原理,土星类相对星体距离也较近,而且像土星这样的环不可能形成为一个星体。

  对于太阳系星云完全收缩为一个太阳的情况,无论从物理学的角度或是从天文学的角度看,都让人难理解。因为星云收缩为星云盘,星盘再完全收缩成一个星球体,在盘上不留一点剩余物质的情形也非常少见。

  太阳星云盘上也应该形成有旋臂。在星子演化阶段的后期,在大约0.5天文单位处旋臂中心的星子,其直径有大于1000千米的(这种星子也可以称为星胚)。太阳星云中心温度已经超过300K,但是距太阳1个天文单位处的温度不应该大于10K。这个演化阶段所用的时间在106~107年内。

  四 太阳—地球形成阶段

  在这个阶段的开始,99%以上的太阳星云物质聚集起来,形成了太阳的雏星。其密度约在1.35克/厘米3,它聚集了太阳系50%的角动量,由于物质的聚积,分子碰撞加剧,中心温度已达到6000K以上。

  在太阳的周围这时候先后生成了四个行星,它们是:

  1、水内星(Inmercury):因为现在这颗星已经不存在。其名暂定为水内星(不是Vulcan)。它的质量大约是160个地球单位(现在的地球质量=1个地球单位)。密度为1.34克/厘米3左右。它运行在距离太阳2900万千米的轨道上。

  2、水星:这颗水星并不像现在的水星。它的质量约110个地球单位,密度亦为1.34克/厘米3。这颗水星运行在离太阳7000万千米的轨道上。

  3、金星:它当时的质量是70个地球单位,密度1.34/厘米3,轨道距离太阳1.1亿千米。

  4、地球:当时的质量为50个地球单位,密度为1.33克/厘米3,轨道为1.5亿千米。

  它们的运行轨道基本是圆型。由于形成行星的旋臂外缘物质的角动量略大于内缘物质的角动量,内、外两个角动量的差变成行星自转角动量。所以以上形成的行星都具有绕太阳公转方向相同的自转。

  由于太阳星云在收缩时旋转略带一点扭矩,所以形成太阳后,太阳的自转赤道与黄道(星盘)面有7度多的夹角,所形成行星的自转轴,也不垂直于黄道面。

  当时,火星轨道处以外的物质量还不足以形成大行星,而只是在火星轨道处运行着几个较大的星子。其中最大的星子直径已超过3000千米。在火星与地球轨道之间有一个星云的小旋臂,该旋臂角动量比地球的单位角动量略大一些,其形成的星体,被地球俘获为月球,它的质量为0.7个地球单位。运行轨道与地球距离比现在要近得多。由于与地球角动量差转变为对地球的转动。而太阳星云内部不存在魏茨泽克学说所形容的内部旋涡。所以太阳系星云形成的规则卫星都是同步自转(同步自转:自转周期与行星公转周期时间相等)。

  关于水内星存在的理由,分析一下水星到火星的轨道特性就可以得到启示。关于形成的各行星的体量,有许多证据可以证明,当时可以有很大的质量。例如:水星现在的物质丰度和质量,如果将它们分散在水星轨道的范围以内,这些物质无论用什么办法也不能将其聚集成现在的水星。在地球上,各大洋底锰结核的存在和海水中丰富的铀含量都说明,如果地球的体量从形成时到现在就没有改变,那么对这些现象根本就无法解释。

  每个原始行星的其它参数,可以由以上数据推得。

  这个演化阶段的后期,各星体表面温度已超过200K,这个演化阶段的时间在104年之内。

  五、火星—小行星形成阶段

  在这个演化阶段开始,太阳表面温度已达到3000K左右。太阳内部已开始有小规模的核聚变。形成的各大行星由于收缩,自转开始加快,氢、氦元素已全部气化。太阳的热辐射驱动着散落在各大行星轨道间的剩余物质和逃逸出行星控制的氢、氦等物质,并将它们推向火星轨道和小行星轨道。

  由于星际物质到这个演化阶段后期,在水星、小行星轨道上逐渐增多。而后火星逐渐由星子聚集形成。其质量约30个地球单位,密度约为1.2克/厘米3,轨道参数基本与现在相同。在小行星轨道上也逐步形成了70-120个大星子,星子直径约在2000千米至3000千米。另外还有许多直径小于2000千米以下的星子。当时的大星子经现代技术分析可以逆向命名,如:脱罗夫(Trojan)星、沃耳夫(M.Wclf)星等。

  这个阶段约经历103年不到的时间。

  六、木星—土星形成阶段(太阳核聚变爆发阶段)

  这个阶段是太阳系形成过程中非常重要的一个阶段。现代的太阳系起源理论都认为,强大的太阳辐射和太阳风将星云轻物质推到外行星处。至于怎样推的和演化到什么时间将轻物质推出去的,所有太阳系起源说都未对其定位。这个推出去的过程是一个非常实际的过程,也是研究太阳系起源的值得重视的过程。这个过程必然与太阳核聚变爆发同时开始。

  在这个阶段里太阳由于收缩,内部的高温终于引发了整个太阳的氢核聚变活动。强大的核聚变辐射带着太阳风扫过了前面几个阶段所形成的所有的星体和星子。这个阶段大约用了105—106年的时间。

  我们如果能看到当时的景象,真是非常壮观:逐渐增强核聚变的太阳发着强烈的紫光,照耀着整个太阳系。小行星带的每个星子拖着像彗星一样的尾巴,围着太阳形成一个圈。地球带着月球和火星差不多,快速旋转着向四周散发着淡淡的氢气、氦气,后来又夹带着水汽。水内星、水星、金星开始剧烈地转动着向太阳系散发它们所带的气体、水汽,内太阳系空间扁平盘上,到处烟雾腾腾,给人一种祥和、温暖的感觉。

  在这个演化阶段的稍后期,有个重要过程需要说明。在前几个阶段已经形成的各大行星都在散发着水汽,这些太空中和星球边的水汽并没有多大压力,它们弥漫在内太阳系的空间里,其温度不会低于0摄氏度,但也不会高于70摄氏度。这是个原始生命物质最容易生成的环境。开始时原始氨基酸包裹体只是吸收热,逆换氧化物质的简单生命体。经过演化,在本阶段结束时,生态环境开始变得恶劣。该生命体就逐渐演化出能光合的基本生命体和其寄生的共生生命体这样两种类别的系列生命体。像这种长期温暖的环境现在很难人工模拟。

  由于太阳风的压力和太阳辐射的压力,将弥漫在内太阳系的氢、氦和水汽驱赶到现在的木星及土星轨道附近,木星、土星轨道上的星子逐渐增大,因为大部分物质在木星轨道处就被星子俘获了,而土星星子俘获的是重新凝结(温度低)的氢、氦气和水汽团,所以聚集在土星轨道上星子的密度变得越来越小。

  在行星形成的过程中,由于高密度物质向行星中心集结,低密度的物质浮向行星表面,由于角动量守恒,行星的转速急剧加快,太阳辐射使行星失去的表面物质将带走大量的行星自转角动量,致使行星逐渐失去自转角动量而使自转变得缓慢。特别是水内星,由于上述过程急剧演化,当该行星在失去三分之二质量后,其自转角动量已所剩无几。在这种情况下,该星对太阳来讲就像一个向心旋转的火箭,它拖着长长地急速喷射着水汽的尾巴,沿着距离太阳越来越近的轨道,渐渐地又突然快速地跌进了太阳。

  水星几乎也有着同样的命运,不过当它向太阳移近运行轨道1200万千米时,它的易挥发轻物质已经消耗殆尽,这时它就停留在现在的轨道上,绕着太阳转动着。水星1200万千米的轨道迁移,影响了水星的轨道参数,所以水星绕太阳转动的轨道有较大的偏心率。

  金星离太阳远得多,以上论述的物理过程中,几乎将金星自转角动量全部带走。但是,由于金星的轻物质挥发较慢,金星轨道的迁移量不多。

  这个物理过程,对地球和火星影响更要好得多。地球作为行星开始演化时,最快的自转速度,可能达到了几个小时,可是当地球被太阳挥发到2个地球质量时,其自转速度已减慢到要十五、六个小时左右转一圈了。

  到了这个演化阶段的后期,木星、土星已初步聚合而成。

  在这个演化阶段后期和下一个演化阶段的初期太阳将进入一个灾变时期。

  七、天王星—海王星形成阶段

  在这演化阶段的开始前,太阳进入了一个灾变性阶段,该灾变可以称为太阳角动量灾变期。

  当弥漫星云塌陷为一个恒星胚时,星云物质带有大量的转动角动量聚集到星体,聚集的初期角动量分布分散。恒星胚转动较慢,当恒星核聚变产生之后,大部分物质都被气化或电离时,较重物质急速向恒星中心聚集,轻物质浮向恒星表面,因角动量守恒,恒星转速越来越快。

  对于较大的星云团,形成恒星前的旋转速度较快,其聚集后星体含角动量极大,核聚变产生后,星核还没完全形成。为了克服巨大的角动量转速,恒星会分裂为双星,或者是聚星。银河系中就有许多这样的恒星结构。

  对于有较少量角动量的恒星,在恒星形成的年青阶段都有一个天文学称之为金牛T型阶段。在这个阶段,由于恒星聚集很大角动量,经过演化恒星开始快速地旋转,再加上恒星剧烈地核聚变,使恒星沿赤道表面会抛射出大量的物质。这些抛射出的物质带走大量的恒星自转角动量。金牛T型阶段结束后恒星进入了赫罗图(H—Rdiagram)的主序星阶段。又有,恒星的较差自转现象和太阳风(有质量的太阳抛射物)也要损耗大量的角动量,使其后的恒星自转速度越变越慢,恒星的自转角动量亦越来越少。

  这些金牛T型阶段的太阳抛射物,最先访问的是水星,而且也很频繁,聚集后不长时间,就完全气化,然后又脱离了水星。由于这些物质击中水星的方向较正,使水星的自转几乎等于同步自转。块状物对金星的撞击角度不同水星,这些大块抛射物的撞击,使金星的自转变为慢速地逆方向转动,这个撞击角和对水星的影响可以用作图法得出,也容易理解。这些抛射物能块状地访问地球、火星的可能性很小,所以就不会对这些星体造成什么重大影响。在黄道面内的这些抛射物,最后都被太阳的辐射和太阳风推到木星、土星轨道,也有的被该轨道上的星子所俘获。

  太阳赤道与黄道有7度多的夹角。太阳的金牛T型段的赤道抛射物有很大一部分被抛射出原太阳星云盘黄道面。这些抛射物,经由黄道盘的上、下飞越水星、金星......木星、土星。这些抛射物质在旋转盘上群星引力的作用下,落在天王星的轨道上,被那里的星子俘获,然后积聚为天王星。这些抛射物的运动轨迹可用万有引力定律推出。

  也许太阳向云盘上、下抛射的物质量并不相等,也许抛射的物质在云盘上、下运行的距离有差异。所以它们形成的星子都会有水平于黄道平面的自转。当变得更大的星子聚集起来形成天王星时,该星是一颗基本躺着转动的星,星内有大量的放射性物质,也说明该星大部分物质直接来自已经核聚变的太阳。

  有一些抛射物质因为没有被天王星子俘获,在星云盘处穿越天王星轨道,由于惯性,又运行一段距离,在星盘的引力的作用下,从另一面落入海王星轨道,被海王星轨道的星子俘获。因为它们的运动轨迹非常难以形容。所以这些星子最后形成的海王星,自转轴相对黄道面倾斜很大角度。海王星的物质大部分也来自太阳,它也含有大量的放射性物质。

  天王星、海王星演化阶段历时106年。

  海王星外的冥王星是二十世纪三十年发现的一颗行星,从质量上讲冥王星不能算是一颗大行星。对于冥王星外的太阳系空间,我们知道得不多,可以放在后面讨论。

  八、太阳系各星体的地质演化和后期演化要点

  太阳成为主序星后,有个现象非常重要:太阳的聚集高温点燃了核聚变,开始时燃烧的规模较小,然后逐渐加剧,最后达到燃烧的最大点,这时间在103年左右。剧烈地燃烧,必然产生燃烧阻隔,使燃烧逐渐减弱,这就形成了一个周期。现在我们把它称为太阳活动周期,这个周期现在大约是11.2年。太阳刚进入主序星时,活动周期的波动非常明显,当时波动周期的时间大约在70年左右。

  水星在聚积成行星后,经过一定时间,水星的地质演化非常充分,铁的核、岩的壳外面包裹着水和氢气、氦气。当太阳的热量吹走表面的气体、水和极易挥发物质后,火星迁移到现在运行的轨道。而后几亿年强烈的太阳风,又吹去了大部分岩壳(当时的水星岩是熔融态),以至它表面易挥发的金属也被吹走了。

  金星要好得多,它只失去了水分和部分易挥发物质,而且轨道也移动不多。

  地球是颗神奇的行星,它的初期演化就有生物参与。地球大气中的氧,如果没有生物作用是不可能存在的。在太阳早期活动周期的低谷,地球建立了地球磁场,再加上氧的作用,地球保住了剩余下来的水,为今后的生物进化提供了条件。

  月球是地球的卫星,在当初形成时它是太阳系中最大的卫星。因为是卫星仅有同步自转,所以它的地质演化并不充分,几乎没有铁核。它的质心偏向地球。当它失去月表的水分后,太阳风又吹去了月表所有的易挥发物质和易挥发金属。由于逐渐失去部分地球的引力和质量,月球轨道在远离地球。

  火星最大时,有30个地球质量那么大,但是其99%以上都是轻物质。它的地质演化应该非常充分。当火星演化到10亿年以前,火星表面还存在有大量的水,只因大气中没有存住氧,这些水分都慢慢地失去了。它的两颗卫星是火星演化时期俘获的。火卫一来自小行星轨道的可能性极大,因为在那里被划伤的概率要比作为卫星要高得多。

  小行星轨道上,直径大于2000千米的小行星都有相当充分的地质演化:铁的核、岩的壳、外包着水和气。太阳初期的剧烈燃烧,吹走了它表面的氢、氦气和水,使所有的小行星失去了成为大行星的机会。大小不等的类地小行星运行在轨道上,其速度、质量又各不相同,在以后形成的大质量和近距离的木星胁迫下,小行星经常发生碰撞,裂解成为各类小行星族。有些脱离原来的轨道进入地球、火星轨道。地球上见到的铁陨石和石陨石大都来自小行星轨道的物质。另外大部分脱离轨道的小行星或被木星俘获或进入木星轨道。因为有木星的巨大质量胁迫,所以在小行星轨道上运行的各族小行星的分布应该和木星轨道共振。没有进行地质演化条件的小行星(形成时的质量小),失去大部分水分后,以原始状态继续运行着。有些较远离太阳的小行星也许还保持有一定的水分。

  小行星以外的类木行星,由轨道上的星子聚合而成后,从每颗星的质量、密度和运行轨道来看与现在的各大行星比较,总的情况变化不大。每个星的卫星和绕其运行的环也各有异。它们形成的时间和形成因素各不相同,这里不再叙述。

  九、再看我们的太阳系

  依据太阳系起源的倾向性共识:太阳系起源于同一块星云,也就是说太阳系早期形成的天体有着相同的化学物质含量。

  但是,有人认为:这样形成的原行星的质量很大,它可以吸引住行星外层的气体。太阳的光和热不可能赶跑原行星的气体。由此而来对以上说法提出质疑。

  在前面我们说过,原行星的自转速度很快,所以在赤道上的线速度已接近气体逃逸速度。再者,早期太阳表面的温度有可能达到40000K,是现在太阳表面温度的6倍。急速地赶跑原行星表面的氢和氦应该是不成问题。

  统计一下有关太阳系起源的教科书和科普读物中提出的大量疑问。以上太阳系起源说,能够较为合理地解释百分之九十以上的疑问。例如,为什么有大量的碳质小行星存在?解释是:不少小行星的原质量太小,当它失去氢和氦之后,水开始被气化。由于小行星的质量小,水蒸气直接逃逸,最后仅剩下不易挥发的碳和其它石质。而大质量小行星的引力使水蒸气不易逃逸,太阳风将其裂解为氢和氧。氢先离开小行星,氧和碳结合生成二氧化碳,最后脱离小行星。所以大质量的原小行星生成的小行星是以石质和铁质组成。类似的问题还有许多:月海怎样形成。火星上为什么有太阳系中最高的山等等。

  综上所述,以上太阳系起源的理论极有可能得到公认,如果该理论被公认,依据部分理论的行星演化化学和行星演化物理学即可确立它们的学科地位,以摆脱对太阳系起源的猜想,并可以详细地探讨各行星变化的化学成分和物理性质。依据该理论,再看我们的太阳系,把它可以分为。

  内太阳系:在此系统内包括有水星、金星、地球、火星四颗大行星和小行星带。它们都是类地行星,行星的轨道距离也相对较近。它们仅仅运行在3个天文单位之内。

  小行星带应该被称为第一小行星带。

  近轨大行星带:这里包括木星、土星、天王星、海王星四颗类木大行星。它们是太阳系早期形成的大行星,它们的质量都很大,轨道间距离也相近,密度亦相差不多。它们的运行范围在35个天文单位以内。

  第二小行星带:本小行星带的宽度在20000天文单位以上。在这个小行星带中有上亿颗小行星存在。

  其中,在距太阳2000天文单位内,存在着两种类型的行星。第一种是体积较大的行星,这种星体的内、外温度都超过氢和氦的凝聚温度。但是它的质量又不足以保持住气态的氢和氦,所以失去气物质的它,密度较大。冥王星和Kuiper带所能看到的行星(还有海王星俘获的海卫一)都属于这类行星。第二种是质量较小的行星,由于质量小,星的内部没能改变,仍保持原有氢、氦和其它物质的混合状态。它的表面被太阳的辐射赶走一些氢和氦等轻物质,剩余的重物质覆盖在星的表面,将其称为“脏雪球”真是恰如其分。少数这类行星在大行星的胁迫下改变了轨道,有部分进入内太阳系。在它们接近太阳时有着非常壮观的喷发,我们称这一类星为“彗星”(多数演化为短周期彗星)。

  在距太阳10000天文单位前后小行星的物质状态与原始太阳星云的物质相差无几。

  远轨大行星带:在太阳系开始形成的过程中,有大量的物质从太阳和内太阳系中抛射出来。其中一部分在近轨大行星带上被星子俘获,生成各大行星,另外还有很大一部分物质未被俘获。它们和近轨大行星带上较小星体散发的氢、氦以及第二小行星带上的行星散发的氢和氦一起,陆续地向外发散出去。

  依据以上太阳系起源理论,大行星的形成要有三个必要条件:首先,在恒星的引力范围内要有足够的物质。其次是温度,前面谈到的散发物质都是氢、氦等气物质,它们的凝集温度都在8K以下。第三是时间,也就是这些物质要运行一定行星年后,才能积聚成为大星体。

  根据以上条件,可以粗略地推算出远轨大行星带上各大行星的基本参数:在远离太阳大约22000~27000天文单位范围内,至少有三条轨道上运行着有大行星,它们的轨道间距约为100天文单位。围绕太阳转一周需要210~260万年。

  在第一条轨道上运行着二~三颗和土星质量差不多的大行星。因为在此轨道上积聚物质的时间不够长,仅有太阳系形成初期的几千万年和后期的十亿年,所以在这里的物质还来不及聚合成一颗大行星。这些星的密度是0.6g/cm3。行星在轨道上为不均匀分布。

  第二条轨道上的大行星是一颗质量有木星两倍大的大行星(太阳系中最大的行星),直径约19万千米,密度不到0.6g/cm3。

  第三轨道上是四~六颗小于土星的大行星,它们的密度比0.5g/cm3大一些。把它们聚在一起还需要几十亿年的时间。

  站在最大的那颗行星上看太阳就和地球上看到的金星差不多,借助其他恒星的光这颗大行星表面的亮度比月球背面的亮度还要暗淡得多。它的面视角仅仅只有0.07角秒(冥王星为0.11角秒)。光学望远镜无法看得到它。就是能够看到,许多人都会把它当作恒星来处理,因为这颗大行星每年才移动0.5角秒。发射探测器去考察它也要300年才能飞到。它的自转周期是30~50小时。

  关于这些大行星的细节:它们的卫星是怎样分布的,它们是否有环等。利用现有技术都是无法得到的。但是,几个大质量行星的方位是可以计算出来的,许多长周期彗星的轨道参数提供了这些大行星的运行信息。

  第三小行星带:该小行星带的宽度在10万天文单位以上。在距远轨大行星带1000天文单位内有大于1000千米的小行星外。其余部分的物质分布极少,虽然这里可能有上千亿颗天体。

  对于第二小行星带和第三小行星带,现在天文界的大多数人都认为是:太阳系形成过程中剩下来的物质,是一彗星群体称为奥尔特(Oort)云。当然,这些剩余下来的物质在行星带上不会是均匀分布,远离太阳的剩余旋臂云就是奥尔特云。远轨大行星带的主要大行星应该在奥尔特云的方向上发现。

  重新认识太阳系,我们有可能连最大的行星都没能看到。在三百年内我们根本无法得知太阳系内大行星的卫星总数。我们尚须努力。

  十、结束语

  太阳系起源及分段在这里是初次提出来,许多要点需要讨论,而且以上叙述的物理过程大部分都可以用计算机进行模拟,采纳几种数学模型,也许会得到惊人的结果。在下必须说明:对于以上分段的合理性和以上提及的各星体数据都是不精确的,可能还有许多错误,望大家谅解。

  现在我们必须认识到:太阳系的起源问题也许是需要久远的时间才可以解决的问题。但是我们已经处在一个人类技术几乎可以改变我们生存环境的时代。如果我们对我们的生活环境没有深刻地理解,我们有可能犯一个再也无法挽回的错误,失去我们仅有的一个可供我们生存的地球。因此,太阳系的起源问题是我们应该尽快认识的问题。
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