第五课 碎片及太阳系起源

布衣小贩2017

主要内容

• 【小行星】
  
• 【彗星】
  
• 【外太阳系小天体】
  
• 【太阳系形成】
  

了解/理解

• 太阳系起源
  
• 太阳系分化
  
• 行星形成
  
• 行星迁移
  
• 引力散射
  
• 现在太阳系
  

太阳系中除了太阳以及主要的行星、卫星等，还充盈着碎片。碎片本身携带了太阳系形成时的信息，对我们了解太阳系的形成与演化非常重要。
【小行星】
谈到太阳系的碎片，最容易想到的就是小行星带。小行星带的小行星总数预计有数百万，半径超过1公里的预计总数在1.1百万到1.9百万之间，但总质量只与月球相当。
我们先来考虑下，这些小行星的信息——包括轨道、自转周期、成分、大小等等——该如何测定？
对于小行星的轨道，只要观测三个点，就能确定其轨道根数，从而测定椭圆轨道。观测的点越多，精度越高。
观测小行星亮度的变化，可以推知自转周期。
小行星的光谱里，除了太阳光的特征外，还有自身的性质。大致可以分为三类，C型（碳质、反射率低，比较黑）、S型（硅酸盐或岩质，反射率较高）、M型（含大量镍和铁）。
如何得到大小：（1）通过观测小行星的亮度，结合反射率和距离，推知大小。反射率与小行星形状都是不确定的，因此该方法不确定度较大。（2）通过观测红外辐射，计算热辐射量，计算大小。WISE望远镜提供了最大的数据库，约2万多颗小行星。（3）通过观测小行星遮掩恒星，可以推知小行星形状。可以探测距离太阳较远、反射太阳光太少的小行星。
*问题：主带小行星质量为什么那么小？周期为什么是那么分布的？
*问题：大天体通常是球形的，小天体的形状却通常不规则，这是为什么呢？又是什么因素塑造出小行星各种形态，是如何作用的。（引力作用下圆化和凝固时标对比）
当我们观测火星与木星之间的小行星带，会发现它们公转周期/空间的分布存在很多缝隙，就是说，有一些周期的小行星不存在，被称为Kirkwood gap。这些周期与木星的轨道周期呈现整数比（如3：1、5：2、7：3和2：1），因此会在某个姿态/相位上被木星重复拖拽，最终改变小行星的轨道。这是与木星的引力共振的结果。这些空隙位置上的小行星被推入半长轴更大或更小的不同轨道内。
还有一类小行星，它们与木星被锁定为1∶1轨道共振。 综合考虑木星和其它较大天体的引力作用，在太阳系中有五个位置可供小天体与木星同步（绕太阳）旋转，被称为行星轨道的拉格朗日点。 其中，L1、L2、L3——木星和太阳连线上的三个拉格朗日点——被称为不稳定点，在这里的天体受到扰动稍微偏离这个点，就会倾向于缓慢漂移远离它，不再返回。 在L1、 L2或L3点附近没有小行星的轨道。L4和L5点是稳定的，因此，小行星倾向于在这些点附近积聚，称为木星的特洛伊卫星。因为未知的原因，特洛伊型小行星更多地出现在木星前导方向上的拉格朗日点(L4点)，而不是出现在木星后随方向上的L5点。
*问题：木星前后的“特洛伊/希腊”小天体又是怎么回事？
在小行星里面，有一类对我们人类很不好，就是一些近地小行星。例如，在地球轨道外面但有时会与地球轨道相交的小行星。目前观测发现有上万个近地小天体，据估算每100万年会有三个小行星与地球相撞。
近地小行星并非主要来自小行星带，而是来自木星外面。由于收到木星等巨行星的散射，被弹到了太阳系更内部。
*问题：主带小行星进入内太阳系、对地球造成威胁的原因是什么？概率该如何计算，可以从哪些方面／线索考虑概率的计算？有什么可行的防御措施？
小行星带起源
（1）行星粉碎形成理论。缺陷：不同小行星具有显著的化学成分差异。C型，含碳，低密度，松软，在小行星带外侧；S型，含硅酸盐、岩质，在小行星带内侧。
（2）现在一般认为小行星带由原始太阳星云中的星子形成。木星的引力阻碍了这些星子形成行星，反而造成许多星子相互碰撞，并形成许多残骸和碎片。
小行星带之所以没能形成行星，是因为：质量太小，无法形成行星；木星引力扰乱，防止组成行星。
小行星的分群是因为：木星等的引力扰动；小行星的碰撞与碎裂；Yarkovski效应（10 m – 10 km），太阳热辐射造成的反作用力与力矩。
*问题：小行星表面的粉尘来自何处？如何产生？又如何保持？
【彗星】
彗星分为彗核（几公里）、慧发（光晕，达10万公里）、彗尾（长达上亿公里/1AU）、氢包层（上百万—上亿公里）。
彗尾分成两部分：离子尾和尘埃尾。离子尾与太阳方向相反说明尾巴受到太阳的辐射压；尘埃尾所受太阳辐射要小于惯性的作用，方向稍有弯曲。通过光谱观测发射线，可以发现离子、分子（CO、N2、H2O）等，从而了解其组成。
通过紫外观测，发现氢包层，来自内部的水冰被太阳紫外辐射电离。
*问题：彗星与一般小行星如何区分？完备的比较它们的异同。
*问题：一般彗星会有两条尾巴，它们都是什么，又是怎么产生的？它们的指向代表了什么呢？尘埃尾为什么会有条带状结构（各向异性）？彗星和彗尾是有颜色的，它们的颜色又代表了什么？
研究彗星的主要方式之一是就位探测。人们发现彗星中存在富含氮的有机物、碳酸盐、硅酸盐等。
硅酸盐需要很高温的环境才能形成，但一般认为彗星来自于寒冷的外太空，那为什么会存在硅酸盐？
坦普尔1号彗星：喷出气体的光谱分析确认了内部水冰和许多有机分子的存在。对撞击坑的观测表明，彗星内部是低密度的“蓬松”的 “脏雪球”。
彗星维尔特二号：揭示了明显形成于深空的富含氮的有机物质，还有未预料到的应该只在高温下形成的硅酸盐物质。
67P：没有磁场，D/H同位素比地球水高3倍。
长周期彗星碳氧同位素的比与地球是一致的。
*问题：地球上的水从何而来？地球上水的H/D比与67P不同，那是否意味着地球上的水不是来自彗星？H/D比又是如何测量的呢？设备以及观测内容？
短周期彗星（周期小于20年）来自被木星拉进太阳系内层的Kuiper Belt天体；长周期彗星（周期大于200年）来自Oort云，只有彗星的轨道被拉得极长才能进入内太阳系；周期在这之间成为Halley类型。
短周期彗星是在黄道上运动，因此人们认为它们来自黄道上的盘；长周期彗星来自四面八方，人们认为它们来自包围太阳系外圈的云，称为Oort云。
【外太阳系小天体】
在木星和海王星轨道之间，有一些小天体。他们可能是海王星轨道的天体（柯伊伯带天体）受到扰动之后改变轨道进入太阳系内部。有些半人马座天体显示彗星活动的特征，如Chiron在近日点变亮75%，且由掩星观测显示了光环存在。
对任何轨道超出海王星的小天体——包括柯伊伯带天体，我们称为海王外天体Trans-Neptune Object。
冥王星被定义为矮行星，是因为不满足行星定义（绕太阳公转、大致成球形、扫清轨道）的第三条。
柯伊伯带
主要根据其轨道特征，已知的KBOs归于三类：经典KBOs、共振KBOs（Plutinos）、散射KBOs（Centaurs）。
奥尔特云
没有直接观测证据。其中，Torus-shaped inner cloud（Hills Cloud）位于2000-20000 AU，而Spherical outer cloud位于20000-50000 AU。总质量为5—380倍地球质量。
*问题：主带小行星、半人马座小天体、柯伊伯带天体，该如何区分它们，它们各自的特征是什么？它们的分群机制又是什么？
*问题：小天体的轨道，有椭圆形的，也有双曲线形的，双曲线轨道都可以怎样产生？如何判断一个小天体是否来自太阳系外？仅靠轨道足够吗？
【太阳系形成】
我们已经讨论了地月系统、类地行星、类木行星、太阳系内的小天体、库伊伯带、奥尔特云等，可以开始讨论太阳系起源的问题。
我们先来看一下太阳系整体特征：
1. 每颗行星在空间中相对独立。行星的轨道离中心太阳的距离逐渐变大。它们不聚集在一起。每个行星到太阳的距离往往是其内侧邻居到太阳距离的两倍。
2. 行星的轨道几乎是圆形的。除了水星，各行星的轨道都接近于一个完美的圆。
3. 行星的轨道几乎位于同一平面上。被行星们的轨道划出的平面被准确地对准，相差在几度之内，仅水星有一点轻微的异常。
4. 行星的公转轨道方向（从地球的北极上方看为逆时针）与太阳自转的方向一致。几乎太阳系中的所有大尺度运动（彗星轨道除外）都是在同一平面上，具有同样的公转方向。这个平面是太阳的赤道面，这个方向是太阳的自转方向。
5. 我们的行星系统是高度分化的。类地行星内部的特点是密度高、大气适量、自转速度慢，以及很少或根本没有卫星。相比之下，远离太阳的类木行星的密度低，大气浓密，自转很快且有很多卫星。
6. 小行星是很古老的，并表现出一系列既不像内行星又不像外行星或它们的卫星的特点。粗略看，小行星有着大量的行星性质。然而，它似乎是由古老的材料组成的。撞击地球的陨石是已知的最古老的岩石。
7. 柯伊伯带是超出了海王星轨道的小行星大小的冰天体的集合。冥王星是此类天体中已知最大的成员。
8.  奥尔特云的彗星是原始的冰质碎片，轨道不在黄道面上，主要存在于距离太阳很遥远的地方。其组成虽然类似于柯伊伯带，但奥尔特云是外太阳系的一个完全不同的部分。
整体组织指向单一的起源——发生在很久以前的古老的但一次性的事件。
笛卡尔曾有过定性的描述：太阳起源于星云。星云在自身的重力影响下开始收缩。随着自身的缩小，它变得更密和更热，最终在中央形成太阳。随着太阳在星云热的核心中形成，行星和它们的卫星在星云冷的外围区域形成。
拉普拉斯着重指出收缩的星云加速旋转而变得扁平，而最终形成了扁平的原始太阳系。
但是，热的气体团不能形成恒星也不能形成后来能演变为行星的物质团块。
*问题：太阳系主要天体为什么都在同一平面上，且轨道偏心率较小？
现代的太阳系形成理论：凝聚理论
1. 大量尘埃形成于冷的气体环境中并聚集为分子云
2. 尘埃可以红外辐射的方式带走热量使气体有效冷却
3. 尘埃作为凝结核可以吸附气体形成质量越来越大的球
类地行星形成：凝结核加速了团块物质形成的过程。团块之间的吸积在10万年内就可以形成几百公里大小的星子。星子之间激烈的碰撞最终产生了数量较少的原行星，以及小行星和彗星。
类木行星形成：
途径1：星子从太阳星云中捕获气体成长。缺陷在于由于早期太阳的剧烈活动性，星云气体过快被吹走，可能无法形成大质量类木行星。另外，正在形成的恒星之间的密集交会可能在几十万年内就破坏原行星盘。
途径2：在太阳星云外围较冷的区域，大团碎云在不稳定性驱动下因自己的引力而塌缩，形成在小尺度上和整个太阳系类比的巨行星以及众多卫星的系统。可以在1000年内获得大部分质量，因此可以很快形成。
两种途径差别：核心吸积理论预测高达20倍地球质量的木星核心，而不稳定性理论预测核心不超过6个地球质量的岩石材料。以前人们认为木星内核是20倍太阳质量，现在发现可能不大于5倍地球质量，但是这个测量是否准确需要继续探测。
*问题：类木行星有两种形成理论，都是什么？如果是你，你会想如何验证这两种理论？
气体盘中原行星的迁移
I 型迁移
气体或微行星盘内，质量与地球相当的行星会在周围区域产生螺旋状密度波，在螺旋密度波内侧和行星轨道外侧会因为密度差异发生不平衡现象。在大多数状态下，较外围的波会对行星施加比内侧波更大的力矩，这会使行星失去轨道角动量，并且使行星在行星盘存在的数百万年时间内向内迁移。
II 型迁移
超过10倍地球质量的行星会清除盘内特定区域小天体，形成缝隙，使 I 型迁移终止。然而，在较大的吸积盘中仍会有物质持续进入缝隙，让行星和其造成的缝隙在吸积盘存在期间向内移动。这是部分“热木星”形成假设。这要求行星尽快形成，以便在气体盘还存在时进行迁移。
木星大气层中的氮、氩、氪具有高浓度。被捕获的星子带入木星大气，但星子在现在木星轨道的温度下不能保持这些气体，因此木星以前应该在更远更冷的轨道上。
*问题：太阳系早期演化过程中，大天体经历过行星迁移，那这种迁移的特征和动力学机制是什么？我们认为木星经历过从外到内的迁移，有什么证据来证明这件事？
太阳辐射清空气体后，大量星子和类木行星碰撞造成引力散射，形成散射盘、奥尓特云、经典库伊伯带等。
通过引力散射，也可以造成行星轨道的演化，包括木星内移，天王星、海王星、库伊伯带等外迁。
火星和木星之间的位置(2 ~ 4 AU)，本来有数十个行星胚，因而小行星带的初始质量总质量应该在1025kg以上，但现今这里的小行星主带的总质量仅为1022kg量级。
这些行星胚并合形成行星的时标约为107 ~ 108年。相对而言，木星能够快速形成，仅需几千年-几十万年。木星的大质量在这里产生强烈的摄动，倾向于抛射星子或行星胚至遥远轨道或太阳，使他们发生分裂产出碎片而不是并合，阻止了这一区域的行星生长。最终使得这一区域散失超过99.9%的质量。
木星通过上述对2 ~ 4 AU处的摄动输送了很多质量至离太阳更近的轨道，另外也略微提升了此处的轨道相对速度，进而提高了碰撞几率，最终促进了火星、地球等行星的生长。
木星、土星、天王星、海王星作径向迁移,轨道向(内)外扩展,海王星平运动共振的位置也向外扩展。在此过程中,共振俘获它所扫过的位置上的星子,并激发这些星子的轨道偏心率。这造成了冥王星、库伊伯带天体的轨道变成椭圆。
行星形成的同时迅速(1到10个百万年内)通过引力散射清空行星之间的星子，这些星子最终形成所谓的散射星子盘。相似的或者略长的时间里，柯伊伯带也被侵蚀，其中的轨道也被激发起来，多数的星子到达“散射盘”。远日点在数千或上万天文单位的星子受到星系潮汐或近邻恒星摄动进入奥尔特云内侧。而1万天文单位之外的星子则形成球对称的奥尔特云。
如果说上述的一切，已经解释了太阳系的井然有序的形成，还存在许多无序的形成过程，比如碰撞与俘获。
对于离行星较近的一些中等大小的卫星，它们可能是由卫星之间的相互碰撞而形成的碎块结合而成。比如月球就可能由碎片重新结合而成的。
如果类木行星的卫星由行星的行星盘形成，其转动方向应该是一致的。但我们会发现很多例外情况，如海卫一。 它具有稀薄的氮气大气、灾难性外表、逆行的轨道，说明它是被俘获的Kuiper带天体。
行星大小与间距
4~5AU（Ice line）以内，每隔0.02AU有一个行星胚。1AU处形成这样的行星胚大约耗时50万年。离恒星越远的地方形成行星胚的所用的时间越长、行星胚轨道间的相互距离越远。行星胚的质量都小于相应位置的类地行星的质量。它们必须并合起来才能形成类地行星的质量。
4~5AU之外，行星胚胎的质量变大(冰物质开始凝结)，但同时，此处的星周盘柱密度迅速下降，结果使此处存在质量比较大的行星胚胎，但行星胚胎的数量密度随着离开恒星的距离增大而降低。行星胚胎轨道间的距离变大，意味着每个行星胚胎的feeding zone变得比较大，最终使得这些行星胚胎的质量可以达到10倍地球质量。
太阳系还存在许多未解决的问题，比如：
（1）天王星自转及其卫星公转方向：躺在黄道面上；
（2）彗星中含有只在高温下形成的硅酸盐；
（3）地球上的水与彗星中的水D/H不同，那么地球上的水来自何方？等等。
*问题：在太阳系形成的过程中，内部温度较高，可以比较容易的形成硅酸盐。外围温度低，硅酸盐的形成就会受到限制，那为什么彗星上会有硅酸盐？
*问题：太阳系天体的分布遵从Bode定则，如何理解这一规律的形成过程？
新问题：
如何区分两种特洛伊天体形成机制？除了轨道根数，还可以研究物性？比如C型或S型？
是否可以利用特洛伊天体来研究太阳系形成早期的物性？