太阳系的起源和演化

更新时间:2024-01-12 13:26

太阳系的起源和演化,太阳系是由太阳、八大行星、众多的卫星、为数更多的小行星和彗星以及行星际物质组成的天体系统。

它的起源和演化的内涵涉及太阳系在何时,由何种原因,由何物质构成,经过何种方式和何种演化过程,如何导致现有各个成员天体的各自特征及成员天体之间的差异。此外,还包括阐述具有特殊意义的地球的起源和演化。20世纪50年代,恒星的起源和演化学说取得了辉煌的成就和进展。天文学家对于太阳的诞生和演化史有了明确的认识和了解,开始了实质性地推动太阳系的起源和演化的探索。到80年代,利用红外天文方法发现了一批具有盘状星际气体尘埃云的恒星,展示出可能是正在形成中的行星系。天文学家才初步摆脱我们的太阳系是研究太阳系的起源和演化的样本的极度困难局面,开始有了可追溯起源和演化早期阶段的参照物。1992年,由于成功地借助最新的分光技术,提高了检测恒星视向运动速度的精度,能够确切地发现太阳系外的行星,经过10年努力,到21世纪初已发现的外星行星超过100个。限于探测精度的技术指标,迄今检测出的还只是大质量的类木行星,但毕竟已揭示了可进行对比的类似太阳系的外星行星系,为科学地勾画太阳系的过去和未来的图像开创了新的前景。研究简史 1644年,法国科学家R.笛卡儿提出太阳、行星和卫星在太初混沌中诞生的“涡流说”。百年之后,法国天文学家G.-L.L.de布丰于1745年阐述太阳因受到彗星撞击而形成的“灾变说”。这两个假说虽然科学价值不大,但有启蒙作用,开启了后世的科学探索太阳起源和演化的新历程。1755年德国科学家I.康德和1796年法国数学家和天文学家P.-S.拉普拉斯各自独立地提出太阳系起源的“星云说”。这两个假说虽然枝节上有所不同,但最主要的内涵均认为太阳和太阳系天体都起源于同一个原始星云。随后的百年间,“星云说”广为流传,影响极大,为近代的太阳系起源和演化研究奠定了基础。随着天文学的进展,开始认识到“星云说”的致命缺陷是无法解释太阳系天体之间的角动量分布特征,即占太阳系总质量的99.8%以上的太阳的角动量却不到太阳系总角动量的1%,而不到总质量0.2%的太阳系其他天体却拥有总角动量的99%。这样19世纪末到20世纪上半叶,先后出现了T.C.张伯伦的“星子说”、F.R.摩耳顿的“微星说”、C.F.von魏茨泽克的“旋涡说”、G.P.柯伊伯的“原行星说”、O.Yu.施米特的“陨星说”、H.阿尔文的“电磁说”。其中“星子说”、“微星说”、“潮汐说”和“撞击说”都认为太阳系起源于灾变事件。前三者论述的是某个恒星在原始太阳附近掠过,在起潮力作用下将太阳物质拉出,或是先形成星子而后演变成行星,或是先形成微星再聚合为行星,或是物质团块凝缩成行星。后者则是恒星与太阳撞击,击出的太阳物质形成行星。恒星天文和银河系天文的进展表明,恒星世界中的碰撞天象发生的概率极小,太阳系的起源不应建立在极其罕见的事件上。随后,“旋涡说”、“原行星说”、“陨星说”、“电磁说”等学说又都回归到“星云说”的范畴。“旋涡说”认为原始太阳周围的气体尘埃云团转动而变成盘状结构,盘内的湍流形成几条同心旋涡,最终演化成行星;“原行星说”表明星云盘因引力不稳定性而解体为原行星,最后分别演化为类地行星和类木行星;“陨星说”认为太阳系天体原是太阳在银河系内运行进程中俘获的星际物质,其后再又演化为行星;“电磁说”则认为原始太阳星云中含有大量高度电离的气体,原始太阳在形成之初即具有磁场,星云盘中的中性星际物质聚合为原行星,在星云内的磁耦合机制作用下,出现今日太阳系角动量的特殊分布和行星自转的周期规律。到20世纪60年代,综合多家研究成果之长而形成了现代的“原始星云理论”。众多学说中有诸如H.C.尤里关于星云盘物质中的中等质量(1028克)天体形成行星、卫星、小行星和其他小天体的化学演化的论述,W.H.麦克雷对原始太阳星云的形成和演化过程的研究,以及E.沙兹曼、A.G.W.卡梅伦、V.S.萨夫龙诺夫、F.霍伊尔等人的研究成果。如今,已在太阳的诞生和早期演化、行星和卫星的形成、太阳系的稳定性、太阳系角动量的分布、太阳系的化学演化等领域取得公认的进展。研究进展 ①太阳于50亿年前诞生在原始太阳星云中,它是银河系内第二代或第三代的恒星。最早是星际物质因自吸引力和吸积作用形成的原始太阳。它在星际气体尘埃中先经过坍缩过程,进入历时仅4 000万~5 000万年短暂的引力收缩阶段。当核心区的温度增至1 500万度时,氢聚变的核反应启动,从而变成自主产能的主序星太阳。②太阳系天体于50亿~46亿年前起源于同一原始太阳星云,主要成分是气体,还有占总质量1%~2%的尘埃,围绕中心太阳的星云扁化为旋转星云盘。在吸积作用下,星云盘物质形成行星、卫星、小行星和其他小天体。③根据天体力学推断,在最近20亿年间,行星的轨道运动没有明显变化,为一动力学稳定性高的系统,但小行星和其他小天体的轨道则演化较大。④几十亿年间,类地行星已经历巨大的地质演变,面目早已今非昔比。但小天体则保留较多的太阳系形成初期的信息,变化过程缓慢。⑤类木行星的化学组成与太阳的近似。类地行星与类木行星在成分和结构上的差异是演化过程中化学分馏的结果。⑥类地行星和月球的表面上的环形山结构主要是40亿年前之后的小天体陨击所致。⑦太阳系角动量的特殊分布是太阳磁场在磁耦合机制作用下,转移了太阳角动量的后果。⑧太阳系的起源和演化除动力学过程外,还有原子物理、化学、电磁学以及等离子体等的综合作用。尚存的疑难问题 除已取得的共识外,尚有许多环节和疑难有待理顺和解释,如原始太阳和星云盘的相互作用,星云盘物质和角动量的转化过程,星云盘中不稳定性过程,行星形成的吸积过程,类地行星和类木行星的形成先后顺序和所用时间,类木行星的气体吸积进程等。

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