二十三、太阳系-1(结构和形成)

流行的童话蹈

1.介绍

2006年8月24日，国际天文学联合会(IAU)，世界上主要的专业天文学家组织，举行了一次决定性的投票。选票清点完毕后，冥王星(Pluton)被开除了。从此以后，它将不再是一颗行星。



太阳系的八大行星：所有八颗行星都比太阳小得多

23岁的业余天文学家克莱德·汤博(Clyde Tombaugh)在1930年发现了冥王星。一名女学生认为这颗行星离太阳太远，一定很孤独，于是建议以冥界之神的名字为它命名。
在20世纪90年代，科学家们发现冥王星实际上只是柯伊伯带(Kuiper Belt)一大片冰状天体中的一颗。如果冥王星是一颗行星，那么所有柯伊伯带的其他物体也是行星吗？
这就是国际天文学联合会所面临的困境，所以他们对冥王星的投票实际上是对一个基本问题的决定：“什么是行星？”
经过深思熟虑，国际天文学联合会决定，一个物体要想成为行星，必须满足以下条件：
1)它必须直接围绕恒星运行，所以卫星，即围绕行星运行的自然物体，不是行星；
2)它必须是球形的，这意味着它足够大，内部的引力可以抚平表面的凹凸不平；
3)它必须清除了轨道上的其他物体，或者通过碰撞将它们合并，或者将它们作为卫星捕获。
天文学家现在把只通过前两次测试的天体称为矮行星(Dwarf Planets)。然而，冥王星的降级并没有减弱它的神秘感，所以在2006年，美国宇航局发射了一个太空探测器“New Horizons”来研究它。2015年7月，人类第一次收到了这颗矮行星的特写照片。



这是2015年New Horizons太空探测器看到的冥王星的真彩色合成照片

2.太阳系的发现和结构

2.1探索时代的发现

我们可以把太阳系的探索分为两个阶段。早期阶段开始于伽利略使用小型望远镜发现木星的四个大卫星，并意识到我们的太阳系除了已知的行星之外还有其他天体。
如月球上的环形山、土星环、其他行星(天王星和海王星)以及更大的小行星。
第二个现代阶段的研究始于1957年苏联发射第一颗人造卫星Sputnik 1(人造卫星，在大气层外绕地球运行)。
在十年内，美国和苏联发射了太空探测器，这些飞行器可以达到逃逸速度并访问其他天体。



太阳系的重要发现

研究人员已经受益于使用获得的信息越来越丰富的仪器。最近的研究使用了环绕地球运行的太空望远镜，飞越、环绕、撞击或降落在地外物体上的太空探测器，以及搭载宇航员到月球的宇宙飞船。



空间探测器：Mariner 2号在飞越金星时成为第一个到达另一个行星的航天器；工程师们正在准备New Horizons太空探测器，该探测器于2015年飞越冥王星，目前正继续进入柯伊伯带：2006年发射New Horizons太空探测器

2.2太阳系中物体的排列

在2016年，科学家们通过计算机模拟小型柯伊伯带星体的轨道，宣布一颗巨大的(海王星大小)尚未被发现的行星可能潜伏在柯伊伯带的遥远地带。天文学家现在可以根据天体的大小、组成和轨道特征识别出许多不同类型的天体。



太阳系中的天体

2.3太阳系中的天体是如何排列的？

太阳系中行星的轨道略呈椭圆形，它们显示出顺行(Prograde Motion)，当从太阳北极上方观察时，它们会绕着太阳逆时针运动。几乎所有的轨道平面与地球轨道平面(黄道面)的距离都在3度以内。
侧视图显示水星的轨道明显偏离黄道面(7°)。水星的轨道比月球的更倾斜，月球的轨道距离黄道面略大于5°。当天文学家定义小行星和柯伊伯带天体的轨道时，他们意识到这些天体大多数也显示顺行，但有些遵循高度椭圆的路径，称为偏心轨道(Eccentric Orbits)。
另外，虽然有些轨道面接近黄道面，但其他轨道则明显地向黄道面倾斜。



行星的排列及其轨道平面的方向：所有八颗行星轨道的斜向视图



行星轨道(上)和月球轨道(下)相对于黄道平面的方向

八大行星之间在许多方面的不同。当它们绕着太阳转的时候，所有的行星都是逆时针旋转的，除了金星，它是以逆行的方向旋转的，也就是说从太阳的北极向下看是顺时针的。
天文学家通过指定行星的倾斜度来描述其旋转轴的方向：垂直于行星轨道平面的轴线倾斜度为0°，平行于轨道平面的轴线倾斜度为90°。如果我们比较这两颗行星，我们可以看到它们显示了一系列倾斜。
倾角决定了行星是否有季节，因为地轴与行星绕太阳公转的方向相同。当行星的轴线倾斜时，照射在行星上某一位置的日照(入射太阳辐射的数量)会在一年之内发生变化。





每个行星的旋转轴相对于黄道面倾斜不同。天王星的轴线几乎平行于黄道面，而金星的轴线几乎是颠倒的

不同的行星完成一次完整的自转需要不同的时间。地球绕地轴自转需要一天(24小时)。相比之下，金星的自转速度比较慢，需要243个地球日。
木星、土星、天王星和海王星在17小时内旋转一周。不同的行星绕太阳公转的时间也不同。开普勒第三定律指出，行星离太阳越远，绕太阳公转的时间就越长。例如，水星只需要88个地球日，而海王星需要165个地球年。
当我们考虑行星的大小和密度时，我们可以看到行星分为两类。靠近太阳的内行星(水星、金星、地球和火星)相对较小(地球大小或更小)，平均密度相对较高(大于玄武岩的密度)。高密度表明行星的质量主要由岩石或金属组成。由于内行星与地球相似，它们被统称为类地行星(Terrestrial Planets)。
外行星，即那些离太阳更远的行星(木星、土星、天王星和海王星)都比地球大得多。此外，它们的平均密度都要低得多，这表明它们主要由气体或冰组成。在这里，冰不仅指冻结的水，也指其他化合物的固体(如冻结的二氧化碳或氨)。
由于它们与木星相似，外行星传统上被称为类木行星(Jovian Planets)。最后，除了水星和金星，所有的行星都有卫星，但没有两颗行星的卫星数量相同。木星具有环，即沿木星赤道运行的由细小物体组成的细带。
除了行星之外，太阳系还包含许多其他天体。所有都显示顺行，但有些轨道偏心率很大，可能相对于黄道面(Ecliptic Plane)倾斜。尽管它们数量众多，但太阳系中除太阳以外的所有天体加起来只占太阳系质量的很小一部分(0.15%)，99.85%的质量在太阳内部。
2.4太阳系的起源

如果你能以某种方式回到50亿年前，你会发现我们的太阳系并不存在。在它的位置上，你会发现一个星云，一个由气体和尘埃组成的云团。这个星云的大部分由氢(74%)和氦(24%)组成，它们是宇宙大爆炸遗留下来的气体。
剩下的元素包含了元素周期表中所有其他90种不同比例的自然存在的元素。回想一下，这些元素是由恒星的核聚变反应、超新星爆炸形成的。星云包括挥发分(Volatile Materials)，如氢气(H2)、氦(He)、甲烷(CH4)、氨(NH3)、水(H2O)和一氧化碳(CO)以及难熔材料(Refractory Materials)，如硅(SiO2)、铁氧化物(Fe2O3)和氧化镁(MgO)。



哈勃太空望远镜拍摄的一个星云，一个恒星摇篮(NGC 2174)，位于6500光年之外

一开始，星云非常热，它在膨胀，就像任何气体云被加热时一样。那个不断膨胀的星云是如何成为我们的太阳系的?
根据星云理论(NebularTheory)，重力将星云中的物质拉到一起，然后向内坍缩。虽然这个陈述描述了发生的事情，但它并没有给出全貌。今天，天文学家们用一个更复杂的模型来解释这一过程的细节，这个模型被称为凝结理论(Condensation Theory)。
它认为如果星云只包含气体，它会保持足够的热度来继续膨胀，而不会坍缩。实际上星云中有微小的冰(0.01mm)和尘埃存在，使星云能够充分冷却，从而使它能够坍缩。之所以会发生这种冷却，是因为固体比气体更有效地向外辐射热量。
此外，冰和灰尘颗粒充当了原子附着的“种子”，使更大的固体颗粒得以生长。当超新星爆炸释放出的压缩波穿过星云并将粒子推得更近时，就可能触发了这种凝结过程。


随着时间的推移，越来越多的固体粒子相互碰撞并聚集在一起，产生更大的质量，从而产生更强的引力，吸引周围的物质。星云中包含物质最多的那部分施加了最大的引力，所以更多的物质落向这个区域，产生了一个由尘埃和气体物质组成的球。
当这个球变大时，它的引力变得更大，剩下的星云物质开始迅速向内坍缩。当星云中最初的旋转物质向内下降时，星云开始旋转，当更多的物质向内移动时，由于角动量守恒，旋转变得更快。一旦旋转速度足够快，离心力，即物体在绕某一点旋转或在轨道上移动时所感受到的明显的向外的力，就会变得重要起来，导致坍缩的星云变平。在这个阶段，它变成了一个吸积盘(Accretionary Disk)。
随着吸积盘的中心球变得更大、更密，它也变得更热，因为气体在压缩时变热。最终，这个球变得足够热，辐射出大量的热量，它成为了一颗原恒星(Protostar)。当原恒星在引力作用下被充分压缩时，它变得非常热，大约4.57 Ga时，核聚变反应开始了，这个物质球变成了真正的恒星，也就是我们的太阳。
为什么吸积盘的所有物质没有都向内落入新生的太阳？吸积盘扁平部分的物质绕着原太阳旋转的速度快到足以使它保持在轨道上。一旦太阳形成，这些物质就变成了原行星盘(Protoplanetary Disk)，作为行星和其他物体的来源。
最初，原行星盘是尘埃、冰和气体的均匀混合物。但是当太阳被点燃时，盘的内部变得更热，导致由易挥发物质组成的冰粒变成气体。太阳风，一股快速移动的粒子流从太阳吹走，将这些气体吹到原行星盘的外部。当气体通过一个叫做霜冻线(Frost Line)的边界时，挥发性物质重新冻结成冰。最终，圆盘的内部主要是难降解的尘埃，而外部则是大量的挥发性气体和冰。



太阳系的斜视图，未按比例绘制，显示出霜冻线

随着时间的推移，固体在原行星盘的重力作用下开始聚集在一起。煤烟大小的颗粒形成，这些颗粒合并成豌豆大小的凝块，再聚集成卵石大小的块。最终，这些小块合并成被称为星子(Planetesimals)的天体，其直径超过1km。
由于它的质量，一个星子产生了足够的引力吸引附近的物体，所以它就像一个真空吸尘器，收集小的尘埃和冰以及其他更小的星子，然后变得更大。最终，在这场吸引质量的竞争中胜出的星体成长为原行星(Protoplanets)，体积接近今天的行星。
一旦一颗原行星成功清除了其轨道上的碎片，它就成为了一颗成熟的行星。天文学家估计，这些行星的形成只花了大约1亿年。类地行星几乎全部由岩石和金属组成，形成于霜冻线内部，离太阳最近，而木星的行星包含大量的冰和气体，形成于霜冻线之外。
因为吸积盘是相当平坦的，所有行星的轨道都位于相似的轨道平面上，而且因为吸积盘是单向旋转的，所以所有行星都是沿顺行方向绕太阳运行。最初，它们都有一个顺行自旋(prograde spin)，其旋转轴垂直于吸积盘的平面。现在显示出偏心轨道或倾斜轴线的物体，是受到了外力的作用，比如与另一个物体的碰撞或另一个物体的引力。
当类地原行星的直径超过几百公里时，它们内部的物质变得温暖而柔软，足以流动，所以在它们自身引力的影响下，它们变成了球体。在这种重塑过程中，熔融的致密铁向内下沉，导致每个原行星的内部分化为金属内核和岩石地幔。由气体和冰组成的更大的木星在成长过程中也受到重力的影响，变成了球形。
本节所描述的导致我们太阳系形成的过程可能在我们银河系的大多数恒星中重复。今天，借助现代太空望远镜，我们发现了遥远恒星周围的其他行星系。

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形成太阳系的星云是上一代恒星演变后留下的残骸吗？

阿德莱德探路者

可以这么认为，目前认为太阳可能是第四代或第五代恒星，太阳系的重元素都来自超新星爆炸的产物

白度了一生一x

行星表面由开始的炽热，到后面不断在表面凝结其它冷却物质堆积起来

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