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宇宙、地球和生命的进化:时间的1000个-第10章

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  第一阶段是原始星云分解成为原太阳和绕太阳转动的星云圆盘。在此阶段的原太阳仍是昏暗无光的。 

  第二阶段是星云圆盘中的原行星的形成。该圆盘分裂为两部分:内侧部分形成四颗类地原行星,外侧部分形成四颗类木原行星。在介于两者之间的区域中,圆盘密度不会超过发生收缩过程所必需的罗歇密度,因而太阳的潮汐力将会阻止任何大型天体的形成。然而可以预料,几个比行星小的天体还是可能形成的,经碰撞,这些小型天体便分裂成为小行星。类木原行星之外的星云圆盘也是密度甚低,那就只能形成彗星了。 

  第三阶段是使太阳由暗变亮。它强烈的辐射会使星云圆盘中比较靠近太阳的气体电离,这种旋转的电离圆盘与太阳磁场间的相互作用能充分说明太阳角动量的丧失及太阳自转周期的必然加长这两个现象。 

  第四个阶段是星云圆盘和来自刚刚发光的太阳的辐射之间进一步相互作用。正如彗尾由于受太阳的辐射与微粒辐射压的作用总是背离太阳一样,星云圆盘中的多数气体也是远离太阳的。仅有那些被行星胚胎引力场牢牢控制住的气体才能留在太阳的近旁,其余的物质(其实占其质量的绝大部分)则由太阳系抛回星际空间去。离太阳最近的那些行星,因蒙受太阳的辐射与微粒辐射压作用更强,所丧失的质量会远远多于四颗离太阳较远的类木行星。既然被抛射出去的物质多是较轻的物质(氢气居多数),这就说明了类地行星的密度之所以较高的原因。 


第26节:二、太阳系形成(4)


  收缩假说的主要困难是难以解释气体被太阳风吹散后如何形成类地行星。要形成类地行星,星云圆盘中的密度必须超过罗歇密度,而这就要求在分解过程中占星云圆盘质量3/4的氢必须存在。照此说来,我们的地球就应该含有大量的氢元素,但实际上却不是这样。 

  当然,也会有这样一种可能性:类地行星的形成是一个吸积过程,而类木行星则是通过收缩过程形成的。这一见解在某种程度上已经得到观测资料的支持,月亮和火星上的巨大环形山便是吸积过程的例证;而土星与木星两者的内卫星及土星环的情况,则又表明这些行星系是由星云圆盘中的致密部分分解而成的。由此看来,类地行星与类木行星这两者的形成条件和过程不同是完全可能的。火、木二星之间空隙的存在可以这样解释:由于密度、太阳潮汐力以及温度等条件的限制,上述两种过程均不能在这一区域发生。 

  密度扰动说 

  英国天文学家金斯在20世纪初提出,原始星云如果出现满足一定条件的密度扰动,就会碎裂、坍塌而形成恒星。那么促使原始太阳星云坍塌而形成太阳系的密度扰动是如何产生的呢?太阳附近的超新星爆发可能是造成这种密度扰动的原因。 

  我们来想象一下50亿年前所发生的过程。那时太阳还没有诞生,在现在称为太阳系的这部分空间所有的只是一片密度很低的弥漫云状物质,这便是年轻的原始太阳星云。在离它几十光年的地方有一颗大质量恒星,已经到了一生中的晚期。随着时光的推移,这颗衰老着的恒星终于用完了在它核心部分进行热核反应的全部材料。结果这颗恒星剧烈地收缩,外部物质向中心迅速跌落,同时产生强烈的冲击波。恒星的外层向周围空间猛烈地抛出大量物质,星光在短时间内增亮千万倍,这就是超新星爆发。外抛物质的初速度可以达到每秒上万公里,经过几十万年的长途旅行后,抛出物以每秒几十公里的速度与太阳系星云相遇。太阳系星云在它们的冲击下受到压缩而扰动,星云中的物质分布不再是大致均匀的了,而是有的地方密度变高,有的地方密度变低。结果是太阳系星云发生碎裂,并最终在它密度最高的地方出现引力坍塌而形成太阳系。 

  1969年一颗大陨星坠落在墨西哥一个名为阿连德的村庄附近。这是一颗生存了45亿年之久的老年陨星,为我们提供了几乎原封不动的原始太阳星云物质的样品。研究发现,阿连德陨星中镁26同位素的丰度和分布情况无法用原始太阳星云本身做出解释。一种可能的途径就是通过超新星爆发把铝26注入太阳星云,并且在后来再衰变为镁26。这似乎间接地证明了太阳系最初是由某个超新星爆发偶然形成的。虽然这个说法偶然性太大,但还是被大多数人接受了。 


第27节:二、太阳系形成(5)


  星云吸积说 

  假定云状圆盘围绕太阳旋转的局面已定,描绘行星形成过程的另一种方法便是吸积过程,这就是说许多小天体集聚合并成为大天体。从火星上、月亮上和地球上的撞击环形山或陨星坑便可看出,这些天体在太阳形成后的第一个10亿年期间,每个都收集了许多小型天体。月亮上的月海与东方盆地就是由于收集这些小型天体而形成的,因而使月亮的质量大为增加。照此看来,月亮就是由吸积过程形成的。 

  吸积理论的主要障碍在于很难想象此过程是如何开始的。原始星云圆盘中那些细小的屑粒究竟是怎样会聚到一起而成为几个庞大的行星的呢? 星云圆盘中的第一批固体显然是发现于球状陨星中的嵌入颗粒。这些陨星嵌粒通过某种途径集聚到形成大块物体的母体中,这种母体经过进一步合并就可能成为小行星,以至最终成为行星。但是细小的屑粒是怎样会聚到一起的,这一机制是完全不清楚的。 

  星云圆盘中的陨星嵌粒和尘埃都是非常细小的屑末,它们之间的万有引力很小,还不足以有效地吸引其他的颗粒。但是,这些物质屑粒受到高能光子、太阳风中的质子与电子以及宇宙射线的轰击,都是带电的,电力要比引力强得多。〃阿波罗〃12号宇宙飞船的飞行员曾发现许多微粒附着在他们的服装和设备之上,据推测这些颗粒是带电的。 

  带有相反电荷的两个物体是相互吸引的,一带电体(不论带正电还是带负电)会吸引其他非带电体,用一把塑料尺与毛皮摩擦即可吸附尘埃与纸屑。可以肯定,电力之强不仅足以使星云圆盘中的屑粒彼此吸引,而且一旦相撞,还可以结合得更加牢固。 

  另一个要回答的问题是,内侧的类地行星和外侧的类木行星的密度何以相差如此悬殊?星云圆盘的温度与太阳风对促使化学元素分离和圆盘中央形成石质的类地行星可能起了一定作用。星云圆盘的中央无疑会比外部热,所以可以认为中心的岩石一类的物质首先会凝固下来。当然,甲烷、氨、水蒸气和二氧化碳等气体在圆盘的热区是不会凝固的,像氢、氨之类的最轻元素则可能被太阳风吹出太阳系的中央区。 

  不过,既然太阳风之强足以吹散气体,那它也应该会使气体电离。这样一来,星云圆盘的内部就可能是由自转的电离气体所组成。带电粒子的运动产生磁场,人们普遍认为,造成太阳自转速度减慢的原因正是这种自转电离的星云圆盘磁场和太阳磁场的相互作用。这样,角动量由太阳转移到圆盘,并且如果大量的气体被吹至太空,那也会带走太阳的一些角动量。当这些气体被吹散时,行星在其形成过程中到底前进了多远,这是不清楚的。 

第28节:二、太阳系形成(6)


  吸积假说这样描述太阳系的形成过程:首先形成许多数百英里直径的天体,之后,这些天体再集聚成为类地行星和月球。月亮原是处于绕日运动的轨道之中,后来不知何原因又为地球所俘获。月球的轨道平面比地球的赤道面更为接近平行于太阳系平面,这一事实是地球俘获月亮这一见解的有力论据。木星的内卫星的轨道面几乎都与木星的赤道面相平行,这表明它们是同木星一起形成的。可是,木星的外卫星的轨道面却与木星的赤道面倾斜得很厉害,而且有几个外卫星的公转还是逆行。因此,目前普遍认为木星的外卫星是木星俘获而来的。 

  类木行星主要是由氢和氨构成的,有人猜测这些气体也许还夹杂有一些岩石物质,都是凭借着甲烷、氨、水和二氧化碳才集聚到一起的。显然,这一部分圆盘拥有大量的物质,足可形成大行星,而大行星的引力场不久便强得可以吸聚气体,因而每颗行星就增大起来。行星增长得越大,它的增长速度也越快,直到把圆盘中的气体耗尽为止。 

  除类木行星之外,据推测仅能形成主要由凝冻的甲烷、
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