地球是怎样形成的？

朱婆婆老

介绍
我们生活的地球和太阳系的其他星球是如何在宇宙中诞生的？很多人都想过这个问题。在太阳系中，有八颗行星分别是水星，金星，地球，火星，木星，土星，天王星和海王星。这些行星的个性如何诞生？在现代天文学中，人们认为太阳系是由漂浮在外层空间的气体和尘埃（固体细颗粒）产生的。太阳系形成刻度数十亿多年的时间，空间尺度几十天文单位（AU，1 AU是约为1.5亿千米），从灰尘作为固体行星地球规模结构的粒子微米的材料到数万千米。
太阳系形成的基本框架是20世纪下半叶由前苏联的V. S. Safronov和京都大学的Tadaashiro Hayashi设计的。他们试图通过理论阐明天体物理现象的基本过程并积累它们，从而得出不可能观测到的行星形成过程。在此之后，许多研究人员正在努力构建一个自然太阳系形成的场景。这里我们介绍最新的太阳能系统形成情景的基本框架。

太阳系的结构
让我们总结太阳系的特征，这对于考虑太阳系的起源很重要。 在太阳系内部，从内到外有三种类型的行星：地球类型（岩石），木星型（巨型气体），天王星型（巨型冰）（图1）。


                                                            图1 太阳能系统示意图

  水星，金星，地球，火星都是地球行星，岩石行星。木星和土星是木星型行星，大部分质量是气体成分。气体的主要成分是氢气和氦气。天王星和海王星以前被归类为木星型行星，但最近它们被归类为天王星行星。天王星行星的气体成分只有质量的10％左右，其大部分质量是冰（含有水，甲烷和氨作为主要成分的混合物）。
  这颗行星的轨道有一个共同的特征。轨道几乎是一个圆形轨道，轨道偏心大约为0.1或更小。此外，轨道平面对齐，相对于太阳系平均轨道平面的轨道倾角（弧度）约为0.1或更小。换句话说，行星轨道是一个以同一平面上的太阳为中心的同心圆（图1）。而且所有的行星都在相同的方向上运行。
  行星的总质量只有太阳质量的1 / 1000，大部分集中在木星和土星。另一方面，行星的轨道角动量大约是太阳自转角动量的190倍。也就是说，在太阳系中，质量集中在太阳中，角动量集中在行星上。

太阳系形成的标准情景
  具有这种特性的太阳系如何形成？ 太阳系形成的标准方案基于以下两个概念。

·圆盘假说
行星系统由一个围绕太阳的旋转圆盘组成，与太阳相比，它由小气体和灰尘组成。

·小行星假说
称为尘埃行星的小物体由灰尘形成。 一颗坚固的行星是用它作为材料形成的。 气体行星是由固体行星捕获气体形成的。

  由于太阳系质量集中于太阳以及角动量集中于行星，和行星轨道的行星集中在几乎相同的平面这一事实，所以自然推断出圆盘假说。 成为这个太阳系子宫的盘称为原始太阳系盘（也称为原始行星盘）。 圆盘的尘埃是由上一代的恒星合成，在恒星寿命结束后，发生超新星爆炸，从而向星际空间释放的重元素（比氦重的元素）。 小行星假说不仅要求地球类行星和天王星类行星，而且要求木星类行星的重元素丰度比大于太阳的重元素丰度比。 换句话说，为了制造一颗行星，有必要将尘埃成分集中在原始太阳系圆盘中。

  图2显示了原始太阳系圆盘的太阳系形成的概念图。 准确地说，太阳系的内侧的行星形成的进展速度比外侧快，但是在该图中，为了简单起见，绘制了行星形成在所有区域同时进行。


                                                 图2 太阳系形成的标准情景示意图
0.原始太阳系圆盘的形成
  原始太阳周围形成由气体和尘埃组成的原始太阳系圆盘，作为太阳形成的副产品。圆盘的总质量约为太阳质量的1％，其中约1％为尘埃。尘埃以μm为单位。在雪线（大约3 AU）内，尘埃的主要成分是岩石和金属，在外面是冰。

1.行星的形成（10^6年）
尘埃在围绕太阳旋转的同时落在圆盘的中心平面上，形成尘埃层。当尘埃层超过临界密度时，由于引力它会变得不稳定并分裂。这个分裂的碎片收缩形成一个行星（约10^15 - 10^18kg）。

2.原行星的形成（10^6 - 10^7年）
  小行星绕太阳旋转并碰撞并聚结（积聚）并成长。大的小行星吸引周围的小一些的小行星。这就是所谓的失控增长。由于小行星的失控增长形成了原始行星（10^23-10^26kg）。当原始行星的质量增加到一定程度，它与周围的其它小行星通过引力的相互作用保持彼此之间一定的间隔距离并且继续增长。

3.行星的形成（10^7 - 10^9年）
  在地球行星地区，地球行星是由原始行星和原始行星之间的碰撞形成的。 在木星/天王星行星区域，原始行星通过引力聚集原始太阳系圆盘中的气体，形成木星型行星和天王星型行星。

  从行星内侧开始，自然地说明了地球类型，木星类型，天王星类型。首先，地球型行星和天王星型行星之间的成分差异反映了雪线内外的尘埃组成成分的不同。雪线是圆盘温度和水的升华温度相同的地方，其中雪线以内成为水蒸汽，以外为冰。木星型行星形成的区域受到如下限制。原始行星的质量越远离太阳越大。这是因为远离太阳引力的影响，就有可能从广阔的区域收集原料。另外，当它在雪线外时，水变成冰，也有许多固体成分的影响。就在木星行星区域，形成一个巨大的原始行星，可以通过引力捕获大量的气体。另一方面，由于远离太阳，原始行星形成时间变长。这是因为离太阳越远，旋转周期越长，小行星的空间密度越小。虽然能在天王星行星区域形成质量足够大的原始行星，但由于太费时，在行星形成前圆盘气体就消散了，因此不能大量捕获圆盘的气体。所以天王星型行星质量要小于木星型行星。据估计，圆盘气体的消散时间约为1000万年。虽然其原因尚不清楚，但认为内部的气体被行星抛向中央恒星，外部被恒星风或紫外线吹走。通过这种方式，气体行星仅在木星和土星区域形成。

  这是太阳系形成的标准方案的概要。通过这种方式，行星被认为是原始太阳系盘片演变中不可避免地形成的。虽然这种情况仍然存在许多问题，但总的来说，它可以解释目前太阳系的基本特征。

【大久保爱一郎国立天文台研究部门（2007年8月）】


原文为日文，以下是链接。
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