首先,我想用一点篇幅来简要地说明一下太阳系的形成。
恒星形成的环境一般被称作气体云,是星际物质聚集的地方。我们曾在第三站描述过宇宙大爆炸过程中的元素合成。读者们应该还记得在宇宙大爆炸后,宇宙中形成了大量的氢元素和氦元素,以及极为少量的锂元素。这些是第一代恒星形成的原料。太阳系大约形成在 50 亿年前,这时距离第一代恒星死亡已经过去了很长时间。诞生太阳的星云中,除了包含大爆炸形成的氢、氦元素,也包含了少量在恒星演化中形成的重元素。
如果气体云自身的引力显著超过气体内部的压强,气体云就会快速地收缩,一般称作塌缩。气体云在塌缩之前往往会有一点点转动,所以气体的塌缩不是个个方向都均匀的。旋转造成的离心力会抵御一部分的引力,因此气体云会在旋转轴的方向先塌缩下来,最终形成一个扁平的旋转的气体盘。这样的星云形成理论在 1796 年由法国数学家和天文学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)第一次提出。
气体在塌缩的过程中,核心区域的密度和温度都会增大,但压强仍然不足以抵抗气体云强大的自引力。最后,气体盘的中心,会形成一个高温且大质量的核球,这个核球被称作原恒星。原恒星的引力会使得物质进一步向中心坍塌,它核心的温度和压力会变得越来越高。最终,云核中心的氢聚变反应被点燃,恒星就此形成。核聚变会产生巨大的热量,不但足以抵御物质的进一步塌缩,还会产生高能的太阳风,横扫整个气体盘,将物质向外推出。留在气体盘中心的,是一颗稳定的火球,就是我们的太阳。
太阳的质量占据了整个太阳系质量的 99.8%以上,但残余的物质仍然足以形成行星。为什么我们认为太阳系的行星应该在气体盘中形成,而不是形成之后再被太阳系的引力捕获呢?这是因为太阳系中大行星的分布具有明确的特征。所有大行星的轨道都在同一个平面内围绕太阳运行,而且公转的方向一致。
行星是不是像恒星一样通过自引力塌缩在气体盘上呢?一般认为行星的形成过程可能是从小颗粒慢慢长大的。气体盘中含有大约 1%质量的尘埃和冰晶。它们的典型尺寸只有 10 微米左右,但对行星的形成至关重要。这些尘埃有点像是地球上雨云中的凝结核。它们会吸引气体盘中的其他物质,慢慢地长大。最初,这些颗粒非常细小,电磁相互作用是黏合它们的胶水。颗粒通过碰撞和其他的颗粒融合。这个过程有点像是滚雪球。滚雪球的过程中雪球并不是均匀地增大,因为当雪球慢慢增大,它的表面积也就变得更大,可以更加有效地吸附地面上的雪花。太阳系气体盘中尘埃颗粒的演化也同样是一个急剧加速的过程。在经过 10 万年左右,小小的尘埃颗粒就长成了巨大的岩石核。这些岩石核大小为几百公里,可以看作行星的幼年阶段,一般被称为星子。当固体岩块长到星子大小,就可以有效地通过引力相互作用吸引其他颗粒——石块和气体。星子相互之间也可以通过碰撞结合,迅速增加质量。星子可以成长到火星大小,在这个过程中,碰撞和放射性元素的辐射会融化星体,较重的元素会沉淀到核心,形成一个铁核。频繁地碰撞和吸积最后产生了几颗较大的原行星。这些原行星会强力地清扫自己轨道上的其他物体。
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