太阳系的形成与演化过程，几种不同的太阳系起源理论

伤我心太深

　　太阳系的起源和演化:我们现在所认识的太阳系，在很久很久以前可不是这个样子的，在未来，我们的太阳系会怎样演变，人类能一直生存在摇篮里吗?

　　三百年来，这是一个引起科学家和哲学家兴趣的问题。对这一问题的研究与自然科学三大基本理论问题——物质结构、生命起源和天体演化有密切关系，是当代科学的重大课题之一。


　　一、必须解释的观测事实


　　太阳系起源和演化理论，不是凭空想象就可以建立起来的。任何一种有可能成立的理论必须与观测事实相符。太阳系起源和演化理论必须能解释我们现在太阳系主要的观测事实，包括太阳系的组成及其动力学性质与属于太阳系内的元素和丰度等方面的事实。所以，在介绍太阳系起源和演化理论之前有必要先回顾一下目前所知的太阳系主要的观测事实。

　　我们业已了解，整个太阳系是由一个炽热的气体球太阳、行星、矮行星、一百多颗已知的卫星、数以万计的小行星、数不清的彗星和流星以及稀薄的星际尘埃所组成的。这些大行星在近似圆的共面的轨道上围绕太阳运动，所有大行星的公转运动都是顺行的。除了金星和天王星之外，这些大行星的自转如同太阳那样也是顺行的，它们赤道平面偏离太阳系的平面不太远。太阳系中比较大的卫星在围绕其自转轴自转和围绕其中心天体的公转方面也都服从这个规律。大多数较小的卫星、大多数小行星、彗星和流星体的公转也都是顺行的，但有些是例外。





　　行星离太阳的距离和卫星离其行星的距离分布显示出另一种特征。这一点被归结为提丢斯—波德定则。它通常表示为r=0.4+0.3×2n

　　这里，行星离太阳的距离r是-∞、0、1、2、3等顺序数的函数。如我们给出n的这些数值，那么我们就可以求出以第二栏的值。在第三栏中给出了行星离太阳的真实距离，这里地球的距离定为一个天文单位。业已看到，除了海王星之外，一致性都是很好的。值得指出的是，当这个定则第一次发表时，小行星带、天王星、海王星都未发现。当天王星在1781年被发现时，它与提丢斯—波德定则正好相符。根据提丢斯—波德定则，在火星和木星之间有一个太阳系的空缺区，它引起了一些天文学家的关注，于是对丢失的行星进行寻找。发现小行星带的平均距离与提丢斯—波德定则算得的距离相符很好。


　　现在我们来考虑形成太阳系中的天体的化学元素。在太阳系中最普通的元素是氢和氧。它们大概占太阳质量的98%，仅氢约占80.5%。木星、土星和程度上稍差的天王星与海王星在化学成分方面是类似的。相对来说地球的重元素的比例是很高的，硅、氧、铁、镍、钠很丰富，这使人相信，地球的化学成分作为一个整体来说是与小行星和月球的化学成分相类似的。行星火星、金星和水星的化学成分多半类似于地球。


　　就地球、月亮、太阳和小行星的年龄来说，它们大体上是一致的。研究地壳中岩石的放射性使人想到，最古老的岩石的年龄约为40亿年。从月球上得到的岩石样品的年龄约为45亿年，所发现的陨石的年龄恰好同样古老。应用太阳结构和演化理论，测量太阳的化学成分和电磁辐射得出形成时间也是在45亿年到50亿年之间。




　　太阳系的角动量分布也必须予以考虑。令太阳中的一个质点离太阳中心的距离为R，速度为v，质量为m，那么它的角动量就是L，这里，L=mvR太阳的总角动量通过对太阳中的每一个质点的角动量L求和而得到。类似地，太阳系中的行星和别的天体也具有由于它们自转而产生的角动量，但如果是行星，它们另外还具有由它们围绕其中心天体太阳公转而产生了很大的角动量。当这个总和求出来时发现太阳的自转只占太阳系总角动量的2%，而木星的角动量却占了60%，其余大部分角动量分配给了土星、天王星和海王星。
　　太阳系起源的任何一种理论都必须说明所有这些特性。当然，这个问题的早期研究者并不了解所有这些特性。


　　二、几种不同的太阳系起源理论


　　1644年笛卡儿曾设想过一种太阳系起源的旋涡理论。1745年巴丰想到，一颗彗星斜撞太阳可以拉出足够多物质形成行星，这种斜碰撞不仅使行星置于围绕太阳的轨道上，而且还造成行星的自转和太阳的自转。他认为，行星有可能自转得如此之快，以致它们依次抛出的物质形成卫星系统。在巴丰的时代，许多人推测彗星几乎有太阳那么重。他这种具有前瞻性的思想为张伯伦和摩尔所发展，一颗恒星取代了这颗彗星，一次近距离的相遇取代了这种碰撞的发生。在20世纪前半叶，金斯进一步修改了这个理论。后来，这个理论又作出更大的修改。例如，在这两颗恒星近距离相遇时，从这两颗恒星吸出来的潮汐丝由气体所组成，其温度高得使它在宇宙空间中弥散开来而没有形成固体物质。此外，大部分气体落回到原先从中出来的恒星上。


　　另一条重要的研究线索是直接从笛卡儿的旋涡理论得来的。1755年康德发表了他的太阳系起源理论，他假定起初宇宙充满了气体。稠密的区域要比稀薄的区域吸引了更多的物质，特别是当它们在其自身引力的作用下进行收缩时，这些区域彼此发生分离。当每个区域或星云收缩时，它就愈来愈快地自转并将角动量保存下来。于是，它将变扁成为一个垂直于它的自转轴的圆盘，并按照康德的说法，它将被撕裂成一些碎块。在这个星云演化为太阳系时，中心最重的一块变为太阳，其余的小块结合成一些行星。


　　拉普拉斯于1796年发表了一种形式不同的星云假说。他设想，当星云盘冷却并收缩时，处于星云盘中心的原始太阳变得不能控制这个星云的外部，此时离心力超过了引力。于是赤道上的气体环离开正在收缩的星云盘。这个过程将不断重复，产生一系列类似的气体环，每个后随的环的半径都比前面的环小。每个环随后都合成行星。事实上，拉普拉斯提出的这种形式的星云假说虽然说明了从太阳系中发现的许多规律性现象，但却包含一些尚未解决的重要问题，其中包括气体趋于分散和太阳应拥有太阳系总动量的绝大部分。它的理论要求这个角动量应比今天在太阳系中发现的总角动量大得多。


　　为了寻找角动量的出路，灾变说便兴盛起来。随着对银河系结构和恒星情况了解的增加，以及动力学上分析和计算工作的进展，灾变说又遇到更多的困难。于是俘获说便抛弃灾变说而又吸收星云说的成分，取代灾变说而产生。但是，俘获说仍然没有摆脱偶然性因素，也就不得不面临同样的问题。在现代天体物理学发展起来后，特别是由于恒星演化理论的建立以及解决角动量困难的可能性的出现，星云说又回到主导地位。


　　人们又回到了星云说，但这不是简单的重复。它扬弃了康德、拉普拉斯星云说中不合理的成分，吸收了它正确的东西，并在更高水平上予以发展和完善。这个现代星云说已经不是只有几条简单的设想，而是建立在现代科学基础上的一个假说。它的论证不仅有定性分析，还有定量计算。虽说它还并非无可挑剔，还有争议，但它必将在争议中得到发展，至少到目前为止还没有其他假说可以取代它的主导地位。





　　三、现代星云说简介


　　(1)根据太阳和行星组成物质相似、年龄差别不大，可以断定整个太阳系是由同一原始星云演化而成的。观测表明，银河系中有许多低温星际云，它们是含有1%的尘埃的气体云，是恒星形成的主要场所。理论分析表明，只有总质量约为太阳几千倍的大星云才能收缩，出现湍涡流，逐渐瓦解成许多较小的星云。因此，可以认为太阳原始星云就是某个质量约为太阳几千倍的气体——尘埃星云瓦解出来的一个质量较小的星云，由于它在湍涡流中形成，一开始就有自转。比它质量更大的星云快速演化，成为新星或超新星而爆发，抛出重元素，注入太阳原始星云，爆炸激波的压缩作用促使太阳原始星云收缩。所以可以说，太阳系的起源始于一个大而暗的气体—尘埃星云出现不稳定并且开始在它自身的引力作用下坍缩的时刻。这个大星云碎裂成许多较小的星云，其中之一最终形成太阳系。


　　(2)与周围气体的磁摩擦使这个太阳原始星云失去它的大部分角动量，促使它塌缩到大约是现在的太阳系那么大小。

　　(3)在太阳原始星云进行收缩的过程中，根据角动量守恒原理，自转就会加快，于是它逐渐变扁，形成星云盘。由于惯性离心力的作用，其外部与中心部分逐渐分离并继续围绕其中心部分转动。其中心部分因收缩增温以致进行热核反应，开始发光发热，形成太阳。而其外部中的质点通过一系列的引力吸积，逐步发展形成行星系。这就解释了行星运动具有同向性和共面性的原因。


　　(4)行星系的形成直接与太阳的作用有关。离太阳较近部分，氢元素和其他挥发性元素因受到太阳的辐射压力和太阳风的驱逐而跑掉，剩下的主要是硅、氧、镁和铁等较重的元素，因而所形成的四颗类地行星(水星、金星、地球和火星)质量小，密度大。处于星云中部的巨行星(木星和土星)由于温度较低，原有的气体物质得以保留，所以组成物质和太阳一样以氢氦为主，质量大而密度小。更远的行星(天王星、海王星)原来的组成物质较少，质量较小，氢元素易跑掉，氮、氧、碳较多。由于巨行星木星引力大，夺取了处于木星和火星之间区域中较多物质，使这一区域中的物质不形成一颗行星，而只形成一大群为数众多的小行星。


　　(5)行星离太阳的平均距离有个规律，即提丢斯—波德定则。它表明，行星愈远，间距愈大。这可以用引力作用范围来解释。因为理论可以证明，行星的引力范围与太阳的距离成正相关，行星愈远间距愈大。规则卫星离行星的距离也服从这一规律。


　　(6)一般地说，卫星系统及其所从属的行星是由同一团物质按照行星系统的形成方式在次一级的规模上重复发生，即卫星系统是由行星胚周围的残余物质集聚而成。


　　(7)行星和卫星形成后，太阳风吹掉多余的气体与尘埃，形成我们今天所见的太阳系。


　　四、太阳系今后将如何演化


　　恒星演化理论告诉我们，50亿年前诞生的太阳作为一颗主序星已经度过了它生命期的一半，现在留下的燃料还能稳定地维持50亿年的核心氢燃烧。这对我们人类来说无疑是一个福音。

　　但再过50亿年后，太阳中心的氢将全部燃烧完，变为一个氦球。在氦球的温度还没有达到能使氦成为新的核燃料之前，它就无力产生强大的辐射压力。于是在重力的作用下，氦球收缩增温，导致周围壳层的温度上升，引燃壳层的氢燃烧。在太阳内部，氦球因收缩增温，导致氦燃料点火燃烧。此时的太阳，核心燃烧着氦，其外围壳层燃烧着氢，所产生的能量把太阳外层物质往外推。于是太阳的体积膨胀，表面温度下降。当表面温度降至4000度以下时，发出的主要是带红色的光，整个太阳表面又大又红，成为一颗不断膨胀的红巨星。它将吞没水星，然后吞没金星。膨胀着的太阳还将烤沸地球的海洋，毁灭没有逃避到其他行星上去的所有生命，然后再将地球吞没。


　　再过20亿年，氦燃料全部烧完之后，剩下的由碳和氧组成的核心又会产生收缩，但因其总质量不够，温度达不到产生碳氧核反应的程度，只能停留在围绕碳、氧核心，维持双壳层氢、氦燃烧的阶段。此时的太阳已是风烛残年，离死亡不远了。太阳的最后结局是，其外壳离开太阳的中心部分，形成一个美妙的行星状星云，然后被吹散;而太阳的中心部分则形成一颗白矮星，凄凉地被残存的、烧焦的行星所环绕。再经过若干亿年的冷却，这颗白矮星变为暗淡无光的黑矮星，便默默游荡在茫茫的宇宙中。


　　恒星演化理论还告诉我们，我们的太阳并不是第一代恒星，它是在50亿年前从上代恒星临终时抛洒的物质所组成的星云演化而来的。所以，太阳临终时抛洒的物质有可能成为下一代恒星的物质来源。说不定，若干亿年后，就在离我们这个已面目全非的太阳不很远的地方，再度形成一个新的太阳，重现一部新的演化史。