简述太阳系的结构和太阳系形成理论

1 11 一 简述太阳系的结构和太阳系形成理论 1 太阳系的结构及九大行星 太阳系是以太阳为中心 和所有受到太阳的重力约束天体的集合体 8 颗行星 至少 165 颗已知的卫星 5 颗已经辨认出来的矮行星和数以亿计的 太阳系小天体 这些小天体包括小行星 柯伊伯带的天体 彗星和星际尘 埃 依照至太阳的距离 太阳系内的行星依序是水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星和海王星 8 颗行星中的 6 颗有天然的卫星环绕 在 太阳系外侧的行星还被由尘埃和许多小颗粒构成的行星环环绕着 2 太阳系的形成 1 太阳形成 太阳系的形成据信应该是依据星云假说 最早是在 1755 年由康德和 17 96 年由拉普拉斯各自独立提出的 这个理论认为太阳系是在 46 亿年前在 一个巨大的分子云的塌缩中形成的 这个星云原本有 2 11 数光年的大小 并且同时诞生了数颗恒星 研究古老的陨石追溯到的元素 显示 只有超新星爆炸的心脏部分才能产生这些元素 所以包含太阳的星 团必然在超新星残骸的附近 可能是来自超新星爆炸的震波使邻近太阳附 近的星云密度增高 使得重力得以克服内部气体的膨胀压力造成塌缩 因 而触发了太阳的诞生 相信经由吸积的作用 各种各样的行星将从云气 太阳星云 中剩余 的气体和尘埃中诞生 一旦年轻的太阳开始产生能量 太阳风会将原行星盘中的物质吹入行 星际空间 从而结束行星的成长 年轻的金牛座 T 星的恒星风就比处于稳 定阶段的较老的恒星强得多 根据天文学家的推测 目前的太阳系会维持直到太阳离开主序 由于 太阳是利用其内部的氢作为燃料 为了能够利用剩余的燃料 太阳会变得 越来越热 于是燃烧的速度也越来越快 这就导致太阳不断变亮 变亮速 度大约为每 11 亿年增亮 10 从现在起再过大约 76 亿年 太阳的内核将会热得足以使外层氢发生融 合 这会导致太阳膨胀到现在半径的 260 倍 变为一个红巨星 此时 由 于体积与表面积的扩大 太阳的总光度增加 但表面温度下降 单位面积 的光度变暗 随后 太阳的外层被逐渐抛离 最后裸露出核心成为一颗白矮星 一 个极为致密的天体 只有地球的大小却有着原来太阳一半的质量 最后形 成暗矮星 太阳是太阳系的母星 太阳也是太阳系里唯一会发光的恒星 也是最 主要和最重要的成员 它有足够的质量让内部的压力与密度足以抑制和承 受核聚变产生的巨大能量 并以辐射的型式 例如可见光 让能量稳定地 进入太空 太阳在分类上是一颗中等大小的黄矮星 不过这样的名称很容 3 11 易让人误会 其实在我们的星系中 太阳是相当大与明亮的 恒星是依据 赫罗图的表面温度与亮度对应关系来分类的 通常 温度高的恒星也会比 较明亮 而遵循此一规律的恒星都会位在所谓的主序带上 太阳就在这个 带子的中央 但是 比太阳大且亮的星并不多 而比较暗淡和低温的恒星 则很多 太阳在恒星演化的阶段正处于壮年期 尚未用尽在核心进行核聚变的 氢 太阳的亮度仍会与日俱增 早期的亮度只是现在的 75 计算太阳内部氢与氦的比例 认为太阳已经完成生命周期的一 半 在大约 50 亿年后 太阳将离开主序带 并变得更大与更加明亮 但表面温度却降低的红巨星 届时它的亮度将是 目前的数千倍 太阳是在宇宙演化后期才诞生的第一星族恒星 它比第二星族的恒星 拥有更多的比氢和氦重的金属 这是天文学的说法 原子序数大于氦的都 是金属 比氢和氦重的元素是在恒星的核心形成的 必须经由超新星 爆炸才能释入宇宙的空间内 换言之 第一代恒星死亡之后宇宙中才有这 些重元素 最老的恒星只有少量的金属 后来诞生的才有较多的金属 高 金属含量被认为是太阳能发展出行星系统的关键 因为行星是由累积的金 属物质形成的 2 行星的形成 太阳系里诸多行星均被认为成形于 太阳星云 而太阳星云是太阳 形成中剩下的气体和尘埃形成的圆盘状云 23 目前被接受的行星形成假 说称为吸积 在这里行星从绕原恒星的轨道上的尘埃颗粒开始形成 通过 4 11 直接收缩 这些颗粒形成一到十公里直径的块状物 然后它们互相碰撞形 成更大的尺寸约 5 公里的天体 微行星 透过进一步相撞逐渐加大它们 的尺寸 在接下来的几百万年中大约每年增加几厘米 24 内太阳系 距中心直径 4 天文单位以内的区域 过于温暖以至于易挥 发的如水和甲烷分子难以聚集 所以那里形成的微行星只能由高熔点的物 质形成 如铁 镍 铝和石状硅酸盐 这些石质天体会成为类地行星 水 星 金星和火星 这些物质在宇宙中很稀少 大约只占星云质量的 0 6 所以类地行星不会长得太大 8 类地行星胚胎在太阳形成 100 000 年后 长到 0 05 地球质量 然后就停止聚集质量 随后的这些行星大小的天体间 的相互撞击与合并使它们这些类地行星长到它们今天的大小 见下面的类 地行星 25 类木行星 木星 土星 天王星和海王星 形成于更远的冻结线之外 在介于火星和木星轨道之间的物质冷到足以使易挥发的冰状化合物保持 固态 类木行星上的冰比类地行星上的金属和硅酸盐更丰富 使得类木行 星的质量长得足够大到可以俘获氢和氦这些最轻和最丰富的元素 8 冻结 线以外的微行星在 3 百万年间聚集了 4 倍地球的质量 25 今天 这四个 类木行星在所有环绕太阳的天体质量中所占的比例可达 99 26 理论学者 认为木星处于刚好在冻结线之外的地方并不是偶然的 因为冻结线聚集了 大量由向内降落的冰状物质蒸发而来的水 其形成了一个低压区 加速了 轨道上环绕的尘埃颗粒的速度阻止了它们向太阳落去的运动 在效果上 冻结线起到了一个壁垒的作用 导致物质在距离太阳约 5 天文单位处迅速 聚集 这些过多的物质聚集成一个大约有 10 个地球质量的胚胎 然后开始 通过吞噬周围星盘的氢而迅速增长 只用了 1000 年就达到 150 倍地球质量 并最终达到 318 倍地球质量 土星质量显著地小可能是因为它比木星晚了 几百万年形成 当时所能使用的气体少了 25 5 11 像年轻的太阳这样的金牛 T 星拥有远比老恒星更稳定 更强烈的星风 天王星和海王星据信是在木星和土星之后 在太阳风把星盘物质大部分 吹走之后形成 结果导致这两个行星上聚集的氢和氦很少 各自不超过一 倍地球质量 天王星和海王星有时被引述为失败的核 27 对这些行星来 说形成理论的主要问题是它们的形成时间 在它们目前的位置 它们的核 需要数亿年的时间聚集 这意味着天王星和海王星可能是在更靠近太阳的 地方形成的 位于接近甚至介于木星和土星之间 后来才向外迁移 见下面的行星迁移 28 27 在微行星的时代 行星运动并不全是向 内朝向太阳 从维尔特二号上取回的星尘样本表明太阳系早期形成的物质 从温暖的太阳系内部向柯伊伯带区域迁移 29 过了三百万到一千万年 25 年轻太阳的太阳风会清净原星盘内所有 的气体和尘埃 把它们吹向星际空间 从而结 束行星的 生长 二 简述中国空间工程的主要内容和伟大意义 中国空间站计划是继 1992 年中国正式提出载人航天三步走计划后提出 来的空间发展计划 中国空间站计划也分 三步走 如下 6 11 中国未来空间站 第一步 2008 年 9 月 神七 升空 实现航天员太空行走 第二步 2011 年 11 月 神八 发射飞行器 实现无人对接 从 2010 年开始到 2015 年 中国计划发射 2 到 3 个空间实验室到太空 将有多艘 飞船与之对接 第三步 2012 年 6 月 16 日 神九 实现有人对接 然后组建有人空 间实验室 2014 年中国将发射空间站核心舱 2020 年前后将建成规模较 大 长期有人参与的国家级太空实验室 从 1959 年开始 前苏联和美国就发射了一系列月球探测器 美国人早 在 1969 年就将航天员送到了月球上 人们不禁要问 时隔 40 多年后 我 国为什么还要实施月球探测工程呢 中国作为发展中国家 根本任务是发展经济 提高人民生活水平 推 进国家现代化建设 中国政府一贯主张以和平的目的探索月球和外层空间 扩展和深化对地球和宇宙的认识 一贯主张和平利用月球资源和外空资 源 促进人类文明和社会发展 造福全人类 中国开展月球探测活动 就是遵循中国政府发展航天技术的一贯的宗 旨 为了促进科技发展 推动社会进步而进行的 实施月球探测工程 具有 经济 科技和国家发展战略等方面的重大意义 1 实施月球探测工程 可以充分展示综合国力 增强民族凝聚力 7 11 与实施载人航天工程一样 月球探测是一个国家综合国力的体现 是 航天技术发展水平的象征 是提升国家地位的载体 是一个国家科学技术 发展水平的重要标志 我们知道 人造地球卫星发射 载人航天和深空探测 是人类航天活 动的三大领域 世界主要航天国家和组织都已经在这三大领域全面发展并 取得了重要研究成果 而月球探测是深空探测的首选目标 虽然人类已经 把航天员送入月球 但是 月球探测是成为世界上许多航天国家关注和发 展的重点领域 尤其是近几年来 随着探测技术的新发展和月球资源的新 发现 月球探测再度成为人类航天深空探测活动的重点和热点 经过几十 年的发展 我国已经在人造卫星发射和载人航天技术领域里取得了重大突 破 适时开展以月球探测为主的深空探测 加深对月球的了解 为参与月 球资源的开发利用做出应有贡献 是我国航天活动的必然选择 是继成功 研制和发射一系列应用卫星和突破载人航天技术后 中国航天活动的第三 个里程碑 也是中国航天事业持续发展 有所作为 有所创新的重大举措 2 实施月球探测工程 是维护我国月球权益的需要 尽管联合国在 1984 年通过的 指导各国在月球和其他天体上活动的协 定 简称 月球条约 中规定 月球及其自然资源是人类共同财产 任 何国家 团体不得据为己有 但是 随着当前主要航天国家和组织正加紧 实施月球探测计划 如何维护中国的空间利益已成为世界各国不能不关注 的问题 作为联合国外空委员会的成员国 我国只有开展月球探测并取得 一定成果 才具有分享开发月球权益的实力 才能维护我国合法的月球权 益 今天 我国的运载火箭 应用卫星和载人航天技术有了快速的发展 开展月球探测工程 填补我国月球探测的空白 跨入月球国家的行列 对 于维护我国的月球权益 提高国际威望 具有十分重要的意义 8 11 3 实施月球探测工程 将带动和促进我国基础科学和高科技的发展 月球探测是促进科学技术进步和发展的重要载体 实施月球探测工程 将会促进宇宙学 比较行星学 月球科学 地球与行星科学 太阳系演化 学 空间天文学 空间物理学 空间材料科学等的创新与发展 这些科学 的进展又将带动更多的基础学科交叉 渗透与共同发展 月球探测工程是 一项多学科高技术集成的系统工程 实施这样的战略工程将推动航天工程 系统集成 深空测控通信 新型大推力运载火箭和航天发射等航天技术的 跨越式发展 带动信息技术 微机电技术 光电子技术 机器人 人工智 能 遥感科学 新能源技术 新材料技术 遥科学等其他高技术的发展 促进科技进步 具有重要的作用 4 实施月球探测工程 将为人类开发利用月球资源做准备 人类已取得的月球探测成果表明 月球上特有的能源和矿产 是对地 球资源的重要补充和储备 比如 月球上存在大量的氦 3 据初步估算 月球上蕴藏的氦 3 大约为 100 万吨到 500 万吨 可供人类使用一万年以上 目前的核聚变研究 主要以氘和氚为原料 但因氘氚反应产生大量中子 中子具有放射性 容易污染环境 也会影响人体健康 而氦 3 是氦的同 位素 能在核聚变反应中释放巨大能量 而且几乎不产生放射性污染 被 认为是 21 世纪人类社会的完美能源 另外 由于月球上太阳辐射强 每年 可产生 12 亿千瓦的能量 因此 在月球建立太阳能发电站也可能成为人类 获取新能源的途径之一 同时 利用月球具有高真空 低重力的特殊环境 既能生产特殊强度 塑性等性能优良的合金和钢材 还能生产诸如超高 纯金属 单晶硅 光衰减率低的光导纤维和高纯度药品等 因此 月球资 源的开发利用将对人类社会的可持续发展产生深远影响 因此 我国开展 月球探测 可为将来开发利用月球资源 进行技术上的准备 为人类可持 续发展做出重大的贡献 9 11 5 实施月球探测工程 将促进深空探测活动的发展 深空探测是一个重要的航天领域 月球探测是深空探测的首选目标 科学家认为 月球环境是人类的宝贵财富 通过利用月面上没有人为改造 和破坏的某些本来面目 研究月球 了解月球的成因 演变和构造等诸方 面的信息 有助于了解地球的远古状态 太阳系乃至整个宇宙的起源和演 变 有助于搞清空间现象和地球自然现象之间的关系 可以极大地丰富人 类对地球 太阳系以至整个宇宙起源和演变及其特性的认识 从中寻求有 关地球上生命起源和进化的线索 同时 月球探测工程在空间科学方面 将实现首次对地球以外的星体和空间环境进行近距离的探测 在航天技术 方面 将逐步实现多项重大突破 月球探测工程的成功实施 不仅将把 嫦娥奔月 的神话变为现实 实现我国深空探测 零 的突破 而且还将 使我国跨入深空探测先进国家的行列 特别需要指出的是 进行月球探测 仅仅是我国深空探测计划的第一步发展目标 开展月球探测工程将为我国 进行更大范围的深空探测 进行技术上的准备 6 实施月球探测工程 将促进我国经济可持续发展 近年来 我国经济高速发展 但是高能耗 高污染的现象还十分严重 月球探测工程对高新技术的带动在不久的将来必然会回馈于经济 而以 高新技术为动力的经济是低能耗 低污染 高效率的 美国领先于世界的 信息 生物 新材料等高技术 很大部分来自对 阿波罗 工程技术的消 化 优化和二次开发 我国月球探测工程所带动的基础科学和高新技术的 进步 会逐步在国民经济各方面进行推广应用 对于促进经济的发展将带 来牵引和推动作用 7 实施月球探测工程 将促进空间天文观测和研究的深入 月球环境 是进行空间天文学研究得天独厚的场所 月球表面的地质 构造极其稳定 月球直接承受太阳的辐射 没有大气层对光线和电波的吸 10 11 收 散射和折射等干扰 没有尘埃污染 没有磁场 月球的背面没有地球 的光反射 屏蔽了地球的低频噪声 月震很微小 月球有漫长的黑夜 这 种环境为建造高精度天文观测台提供了理想的场所 在月球赤道附近架设 望远镜可以进行全波段的天文观测 获取地面观测系统所无法得到的信息 总之 月球是进行天体物理学 引力波物理学 中微子物理学和高能物 理等观测和实验的理想场所 开展月球探测将大大促进我国空间天文 空 间物理 空间生命科学 对地观测科学和空间材料科学等科学领域的创新 和发展 这些学科的研究又将带动更多的基础学科门类的共同发展 取得 显著的社会和经济效益 8 实施月球探测工程 将推动中国航天领域的国际合作 月球探测工程起点高 有特色 有创新 具有很强的科学性 探索性