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太阳星云

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在猎户座大星云中形成的行星盘。
猎户座大星云中形成的行星盘。
在艺术家的概念下,一颗经由清理邻近恒星的尘埃-行星盘,正在成形的行星。
在艺术家的概念下,一颗经由清理邻近恒星的尘埃-行星盘,正在成形的行星。
恒星形成
天体分类
理论的观念
相关学门
主题 恒星主题

太阳星云学说是让地球所在的太阳系形成的气体云气,这个星云假说最早是在1734年由伊曼纽·斯威登堡提出的。[1]在1755年,熟知斯威登堡工作的康德将理论做了更进一步的开发,他认为在星云慢慢的旋转下,由于引力的作用云气逐渐坍塌和渐渐变得扁平,最后形成恒星行星拉普拉斯在1796年也提出了相同的模型。这些可以被认为是早期的宇宙论。

当初仅适用于我们自己太阳系的形成理论,在我们的银河系内发现了超过200个外太阳系之后,理论学家认为这个理论应该要能适用整个宇宙中的行星形成。

假说内容

原始的星云

假说主张一个行星系统原始的型态应该是一个,由非常低温的星际气体和一部分巨大的(典型的直径应该有~10,000天文单位)分子云组成,大致成球形的云气。这样的一个星云一旦有足够的密度,在本身的重力作用下便会开始收缩,也可能经由邻近区域产生的引力波(像是超新星造成的震波)压迫了分子云,造成重力坍缩的开始。星云的成分将反映在形成的恒星上,像我们自己太阳系的星云相信是由98%来自大爆炸(以质量计算),以及2%来自早期死亡的恒星抛回星际空间的重元素组成(参见核合成)。重元素所占的比例就是所谓的星云的金属性;在统计上,金属性高的恒星(也就是在金属含量较高的星云中形成的恒星)较有可能诞生行星。一旦开始,太阳星云的收缩就会慢慢的、但无可避免的加速。

在坍缩中,有三种物理过程会塑造星云:温度上升、自转加速和平坦化。温度的上升是因为原子加速向中心掉落并深入重力井中,并变得更为紧密,碰撞更为频繁:重力势能被转换成动能或是热能。其次,即使当初极为细微的,太阳星云只要有一点点的净自转(角动量),会因为角动量的守恒, 星云的尺寸缩小时就必需转得更快。最后,星云必须成为扁平的盘状,称为原行星盘,是因为当气体的小滴碰撞和合并时,它们运动的平均值倾向于净角动量的方向。

对八块不同年代,但都在太阳系形成的最初三百万年内,的陨石所做的地质分析显示,大约在太阳形成的一百万至二百万年,太阳系曾经遭受铁-60的轰击,其来源可能是和太阳在同一个区域内诞生,但短命的巨型恒星成为超新星所导致的。[2]

原恒星

一个密度不断增加的原恒星会累积成为太阳星云的重心。在行星在盘中形成的过程中,原恒星会持续的继续变得更为紧密,直到一千万至五千万年后,它最后终于达到核聚变所需要的温度和压力,这时恒星就诞生了。一颗这样的年轻恒星(金牛T星)所发出恒星风,比形成恒星的力量强大许多,最后将会吹散掉剩余在行星盘的气体,并且结束主要的吸积过程(特别是气体巨星的)。像在恒星生命中的许多过程,在原恒星阶段所花费的时间也取决于质量:质量越大坍缩的越快。

在原行星盘的气体,同时间内,从重力崩溃中心的热化中,当温度逐渐降低,尘粒(金属和硅化物)、冰(含氢的,像甲烷)和颗粒从气体中被凝聚出来(固化)。这些颗粒在相互间轻柔的碰撞和静电的作用下,开始增生的程序。气体的原子和分子的量虽然丰富,但因为运动的快速使得静电不足以约束它们的行动,因此不会增生。在盘中占有98%质量的氢和氦,在太阳星云中仍是不能凝聚的气体。

微行星

在盘中的固体成分是以原先存在于星云中的微尘粒为种子形成的,这些星际介质中的颗粒直径通常都小于一微米,但经由在原行星盘中的碰撞,它们的大小可以增长成 微行星 Planetesimals,照字义讲是非常小的行星)。这些尘粒最初散布在整个盘内,但预期会如下雨般的集中在盘的中段:就如同当初分子云因重力坍缩而形成盘状,所以这些颗粒沉降在盘面的中段,但因为没有丢失角动量,所以不会沿着径向朝原恒星的方向移动。不同大小的颗粒,以不同的速度落下,沿途也会搜集更多的尘粒。[3]在随机的任意增长下,比例上,较大的尘粒增长的也较快;[4]这样的状况也使得表面积越大的尘粒越容易和其它的尘粒遭遇和结合。数量庞大且蓬松的尘粒,也能对气体产生阻挡与吸附的功能。[5] 这也可能在行星形成之前,让固体无须聚集在新形成的恒星上。高速的撞击也可能打分形成的微行星,这意味着尘粒和微行星是可以互相转换的。在盘面上湍流在这些碰撞中扮演一种角色:如果湍流太强烈,落向中间平面的雨滴会受到阻碍,同时在微粒间破坏性的碰撞也会很普遍。一旦微行星的数量变得充足且够大,它们的重力会帮助更多的颗粒凝聚。[6] 强烈的湍流也许会妨碍重力引起的凝聚,导致成长只能经由两颗的互撞。然而,如果颗粒要长成大约1公里大小的微行星,必须要历时大约10,000年。[7]

因为微行星的数量众多,并且散布在原行星盘中,就有许多可能发展成行星系统。小行星被认为是剩余的微行星,彼此间逐渐磨损成越来越小的碎片,同时,彗星则是在行星系中距离较远的是微行星。陨石是落到行星表面的微形星样品,并且提供我们许多太阳系形成的讯息。原始型态的陨石体是被撞碎的低质量微行星的大片碎块,没有因为重力而发生分化;同时,分化过的陨石体则是质量较大的微行星被撞击后的大片碎块。只有最大的那些微行星能在遭受到低质量微行星的撞击后还能够继续的成长。

寡头成长

当微行星成长时,它们的数量逐渐减少,碰撞的频率也会降低。由于自然成长的随机性,使得微行星成长的速率各自不同,而有些会成长的比其他的都大。当微行星绕着新生的恒星转动时,动态摩擦使得微行星的动能(动量)保持着平均的分布,因此最巨大的运动的速度也最慢,轨道也趋近于圆形;而较小的微行星运动的速度较快,轨道的扁率也较大。值得注意的是,运动越迟缓的天体有越大的碰撞截面积,重力则可以提高一颗微行星拦截到另一颗微行星的半径。必然的,越大越慢的微行星能更加有效的兼并周围共同成长中的微行星;而速度较快、质量较低的微行星就难以继续成长。这迅速的导致逃离过程,在盘内每一个区域中最大的微行星将成为各区的主宰,会比微行星海中其他的成长的更快。[8][9]这些大质量的个体完全的掌握在盘中的固体物质,称为寡头执政,意味着少数规则;这种过程称为寡头成长(Oligarchic growth)。[10] 这些少数的微行星在大小上迅速的增加,在寡头成长开始前,已经有数十公里的直径,将成长到几百公里,最终可以到数千公里的直径。

寡头成长的过程会自我设限:每一个寡头都有固定的哺养区(取决于他的碰撞截面积),一旦所有共同成长的微行星都被吸附了,就不会再继续成长了。令人半信半疑的是这些区域的大小是否有足够的固体,能够让寡头者成长到类地行星的大小,因为理论上这些区域的微行星只能让寡头者成长到数百公里的大小。[11] 然而,可能是湍流再次起了作用,因为它能够增加或减少微行星的角动量,提供任何形式的径向运动组合。这或许能稳定的提供新的材料给哺养区,让寡头者能继续的成长。[12]

无论寡头者是如何的继续成长,它们在(在冻结线的内侧)一百万年内可以达到的典型大小是0.5至1个地球质量上下, [13]已经大到足够被称为原行星。因为有更高密度的固体物质可以利用,在盘的外侧可以生长得更大。在类地行星的区域内可能有几打的寡头者彼此远离的散布着,[10]在动态性的隔离下,即使经过数百万年或数千万年也不会碰撞在一起。

不均匀的温度

在原行星盘内的温度是不一致的,并且这是了解地球型和木星型行星之间分化的钥匙。在冻结线内侧的温度太高(超过150K)使氢化物不能凝聚:它们仍然保持气体状态。能够被堆积的只有金属和硅酸盐类的尘粒。因此在这个区域的微行星整个都由岩石和金属组成,例如小行星,并且组成类地行星。

在冻结线的外侧,由氢组成的水、甲烷和氨都能够凝固成固体,成为'冰'的颗粒并且堆积起来。岩石和金属的尘粒依然可以利用,但氢化物的数量更为丰富,不仅远远的超过,而且随处都是。因此在这一区域的微行星以冰为主体,而仅有少量的金属与岩石在内。在柯伊伯带奥尔特云的天体、彗星、海王星巨大的卫星-崔顿,或许还有冥王星和他的卫星-凯伦,都是'脏雪球'的例子。由于有许多的固体物质可以使用,即使在碰撞较不频繁和较低的速度下(在更大的轨道),这些微行星依然可以发展成非常巨大的行星(质量大约是地球的10倍),使得它们的引力足以吸附氨气和甲烷,甚至是氢气。一旦开始这样的程序,它们将迅速的增长,因为在盘中占有98%的氢和氦,会使它们的质量大增,而且引力网也会张得更大。

类木型的微行星

很快的,类木型的微行星不再像是由冰冷的微行星组成的,由于大量的氢气和氦气或多或少的都会使得巨大的气体云核心密度更为坚实。然后这些类木型的气体球-在与太阳系相似的比喻下,逐渐的产生重力坍缩、加热、提高转速和趋向扁平。一些类木行星卫星可能也在行星本身类似的机制下形成,在原行星的重力坍缩中,从被浓缩的原行星盘中的尘粒中凝聚而成。这或许可以解释,在我们的太阳系中,类木行星有如此众多的卫星,和为何自转得如此快速。当年轻的恒星发出的强风将剩余的气体和尘粒从恒星盘吹散进入其外的星际空间时,类木行星的成长就结束了。

以最简单的说法,在最内侧的巨大原行星核形成星盘内密度最高的区域,并且动态时间(典型的时标是碰撞)是最短的;因为这个天体位在盘内气体最密集的区域,能及早达到捕捉气体所需要的临界质量,并且和环绕的气体有最长的共生时间。在我们自己太阳系内,木星是在冻结线外侧最大的原行星核,履行前述的规则,成为系统内最大的行星。实际上,过程可能很复杂, 行星迁移湍流会使流程混淆;与现今观察到的系外行星比较,在我们自己系统内的行星发展也许,甚至反倒是有些异常的。

巨大的撞击

最后,在恒星风吹掉盘中的气体之后,还有大量的原行星和微行星被留下来。 在超过一千万至一亿年的周期中,这些原行星-典型的质量界于月球和数个地球之间-会互相摄动,直到轨道相互横越并发生碰撞为止。这些天体经由碰撞的结果,最后成为系统内的行星。这种碰撞:相信是原地球和火星大小原行星的碰撞,形成了现在的地球和月球。这种程序是高度随机的;一个与我们相似的类地系统的形成,可能很快就会结束。所能产生的内行星也许比我们在太阳系内观察到的更少,但也可能更多。

较小的微行星,在数量上也会比较多,在恒星系统内存在的时间也会比较长久。这些天体也许会在" 清除邻里 "的过程中被行星清扫掉,可能会被投掷到外面遥远的边缘(在我们的太阳系是奥尔特云),或仅是持续的轻推进入内侧与其他的行星碰撞或相对是稳定的轨道。这种连番轰击的时期可能长达数亿年,并且也许会在地质上留下一些可以看见的撞击坑痕迹。有些论点认为,只要在系统内还有可以利用的小岩石或冰冻的天体,这个阶段就还未真正的完成。1994年, 舒梅克-李维九号彗星撞击木星所展示的能量,正好彰显了小行星或彗星撞击地球可能的威胁。

在我们自己的太阳系,归结于2:1的共振轨道穿越过木星和土星轨道之间,相信更容易上演这种剧情。来自外围盘面的大量微行星灾难性的干扰,这个过程被称为晚期重轰击

理论解释的太阳系特征

星云假说可以有效的解释太阳系中一些主要的现象:

  1. 行星和卫星的规则运动(所有的行星都几乎在同一个平面上,以接近圆形的轨道,以相同的方向绕着太阳公转,而且所有的自转也几乎在同方向。)
  2. 类地行星和类木行星有明显的区别(质量、与太阳的距离、组成、卫星和环系统)
  3. 小天体(小行星和彗星,无论周期的长或短)
  4. 例外的趋向(类地的卫星、转轴倾角、不同平面的木卫、崔顿)

假说面临的挑战

目前星云假说面临的挑战:

  1. 柯伊伯带迷失的质量
  2. 海卫一的捕获过程
  3. 天王星的侧身自转
  4. 系外行星发现的热木星
  5. 在联星和三合星系统内发现的系外行星
  6. 在系外行星发现的较高偏心率行星

“吸积”的意义

在行星吸积的过程中,在原行星盘中使用吸积盘这个词汇会造成混淆。

原行星盘有时就是指吸积盘,因为在年轻的金牛T星-原恒星仍然在收缩中,而且气体物质也许仍继续向盘中掉落,在盘面内侧边缘的表面持续成长。

然而,这个意思不能与行星形成过程的吸积混淆。在上下文中,吸积提到尘粒的冷却,固化的尘粒和冰环绕着在原行星盘中的原始太阳,碰撞和结合在一起共同的生长,包含可以量度大小的微行星和高能量的碰撞。

另一方面,木星或许有属于自己的吸积盘,是词汇中原本的意义。在云气中被捕获的氢和氦气体收缩、提高转速、扁平化、和沉积气体进入每一颗类木原行星的表面;同时,在盘内的固态尘粒堆积在微行星上,最后会形成木星的卫星。

参考文献

  1. ^ Swedenborg, Emanuel. 1734, (Principia) Latin: Opera Philosophica et Mineralia (English: Philosophical and Mineralogical Works), (Principia, Volume I)
  2. ^ Bizzarro, Martin; David Ulfbeck, Anne Trinquier, Kristine Thrane, James N. Connelly, Bradley S. Meyer. Evidence for a Late Supernova Injection of 60Fe into the Protoplanetary Disk. Science. 25 May 2007, 316 (5828): 1178 – 1181. doi:10.1126/science.1141040. 
  3. ^ Weidenschilling S.J.,. Dust to planetesimals - Settling and coagulation in the solar nebula. Icarus. 1980, 44: 172–189. 
  4. ^ Meakin P.; Donn B.,. Aerodynamic properties of fractal grains - Implications for the primordial solar nebula. Astrophysical Journal, Part 2 - Letters. 1988, 329: L39–L41. 
  5. ^ Takeuchi T.; Clarke C. J.; Lin D. N. C.,. The Differential Lifetimes of Protostellar Gas and Dust Disks. The Astrophysical Journal. 2005, 627: 286–292. 
  6. ^ Goldreich P.; Ward W.R.,. The Formation of Planetesimals. Astrophysical Journal. 1973, 183: 1051–1062. 
  7. ^ Lissauer J. J.,. Planet formation. Annual review of astronomy and astrophysics. 1993, 31: 129–174. 
  8. ^ Wetherill G. W.; Stewart G. R.,. Accumulation of a swarm of small planetesimals. Icarus. 1989, 77: 330. 
  9. ^ Ohtsuki K.; Ida S.,. Runaway planetary growth with collision rate in the solar gravitational field. Icarus. 1990, 85: 499–511. 
  10. ^ 10.0 10.1 Kokubo E.; Ida S.,. Formation of Protoplanets from Planetesimals in the Solar Nebula. Icarus. 2000, 143: 15–27. 
  11. ^ Lissauer J. J.,. Timescales for planetary accretion and the structure of the protoplanetary disk. Icarus. 1987, 69: 249–265. 
  12. ^ Fogg M. J.; Nelson R. P.,. Oligarchic and giant impact growth of terrestrial planets in the presence of gas giant planet migration. Astronomy & Astrophysics. 2005, 441: 791–806. 
  13. ^ Weidenschilling S. J.; Spaute D.; Davis D. R.; Marzari F.; Ohtsuki K.,. Accretional Evolution of a Planetesimal Swarm. Icarus. 1997, 128: 429–455. 

外部链接

参见

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太阳星云
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