太阳系的起源与演化.doc

太阳系的起源与演化太阳系是太阳、九大行星及其卫星、小行星、彗星及行星际物质构成的天体系统。1、中心天体太阳的质量占整个系统的99.8，其他天体都在太阳引力作用下围绕太阳运动。2、太阳系主要成员九大行星都在接近同一平面的近圆形轨道上，朝同一方向绕太阳运转，称行星运动的共面性与同向性(金星有点例外)。3、太阳系中，质量占99.8以上的太阳的角动量只占太阳系总角动量的1 左右；而质量不到0.2的其它天体的角动量的总和却占99左右， 此外还有许多小行星、彗星。如何合理地解释这些特征，一直是太阳系起源理论面临的挑战。1957年第一颗人造卫星上天开创了宇宙航行的时代。60年代，阿波罗登月计划成功实施，70年代以来“水手号”、“金星号”、“先驱者号”、“海盗号”、“旅行者1、2号”、“卡西尼号”对各大行星的近距观察，“乔托号”对哈雷彗星的穿越飞行，“探路者号”在火星上的成功登陆，这些航天器所积累的有关太阳系天体物理性质和化学组成的珍贵资料，为人类更深入地认识太阳系的起源和演化奠定了良好的基础。关于太阳系的形成和演化，至今还没有一个能完全说明全部观测事实的学说。历史上有很多人提出过太阳系起源与演化的理论约40余种，归纳起来不外乎三类：突变说，所有灾变说的共同特点是认为行星物质来自某种偶然事件。最典型的看法是某恒星与太阳相遇或经过太阳近傍，潮汐力使太阳和恒星变形，拉出一系列碎块，然后逐渐分裂收缩成行星系统。这类学说的致命弱点是太阳与恒星相遇的可能性能很小。据估计太阳与其它恒星接近的几率为1015年才可能发生一次，而直接相遇的可能性更小，这时间已远远大于宇宙的年龄，因此，这种灾变是极不可能的。俘获说，其特点是认为行星物质是在太阳形成之后由它走过的区域俘获来的。流行的看法是太阳曾穿越某一星际物质云块，穿越过程中俘获了一部分星际物质，最后由这些物质凝聚成为行星系统。这类学说的缺点除无法解释角动量分布问题外，更严重的问题是：虽然太阳与星云相遇的机会比和恒星相遇机会多一些，但也不容易发生，何况对星云物质的俘获很难达到行星系统所需要的物质总量。因此俘获说也是极不可能的。共同形成说： 目前天文学家趋于一致的看法是太阳和行星系统共同形成的学说。大约50亿年前，太阳系还是一团弥漫的缓慢转动的气体云。由于其它天体的引力扰动或邻近超新星爆发的影响，这块气体云开始坍缩，稠密的核心变为原始太阳，周围旋转的尘粒和气体原子，形成一个薄盘原太阳星云。原太阳星云会分裂成大量引力束缚团块(称星子)。星子具有小行星的尺度，其中一部分就是今天的小行星和彗星核，另一部分通过碰撞合并长大成星胚。这些星胚继续吸积周围物质，像滚雪球一样最后变为大行星及其卫星。这些天体均由围绕太阳旋转的薄盘内的物质组成，因此自然是共面及同向的，而金星的逆向自转等特例可以用潮汐力来解释。不同类型的物理和化学性质上的差异也不难理解，靠近太阳的内区，只有难熔的岩状物能留存下来，气体及易挥发的冰类物质都跑掉了。因此类地行星质量较小，密度较高。在太阳系外区，由于温度低得不能使冰类物质融化，在那里可以形成质量较大，能保留住氢、氦等物质。因而密度较低。彗星则可能是在太阳系边界处累积起来的原始物质。 研究太阳系起源和演化的困难之一在于我们仅此一个样本，不能像研究恒星演化那样，采用众多的样本进行比较研究，然而随着观测技术的迅猛发展，这一状况最近有了转机。红外天文卫星发现织女星周围有尘埃环，某些恒星有小质量伴星，有的恒星也有行星系统。这些新发现告诉我们，太阳系并非“独生子”，它有众多的兄弟姐妹，看来用比较方法揭开太阳系起源与演化奥秘的日子正在一天天向我们走来。恒星的形成、演化与归宿 在恒星起源的问题中，现主要有两种观点：一种观点认为，恒星是由弥漫物质凝聚形成的，称弥漫说；另一种观点认为，恒星是由超密物质爆发形成的。不过越来越多的观测证据支持“弥漫说”，因而逐渐为绝大多数天文学家公认。 观测表明，星际空间存在着许多气体和尘埃物质，其中最丰富的是氢，密度仅为每立厘米不到一个氢原子。在引力作用下，这些弥漫物质收缩成星际云，密度为每立方厘米一百到上万个氢原子，温度仅几十度。引力使星际云很快收缩，因为星际云密度小、温度低、气体压力很弱，物质几乎是向中心自由降落。星际云在快收缩过程中，往往逐渐碎裂成好多小云，每个小云以后单独形成一个恒星，因此恒星通常是成群形成的，如果气体云起初有足够的旋转，在中心天体周围就会形成一个如太阳大小的气尘盘，盘中物质不断落到称为原恒星的中央天体上。收缩过程中，物质释放出的引力能使原恒星变热，当中心温度上升到1000万度时，就产生热核反应，这时热核反应产生的向外辐射压力极大地阻止物质进一步向内收缩，若两者达到平衡，则我们就说一颗恒星诞生了，所以恒星的质量是有一定范围的，一般在0.1至100个太阳质量(1太阳质量1.91033克)，更小的质量不足以触发核反应，而更大的质量则会由于产生的辐射压力太大而使星体瓦解。近年来红外天文卫星(IRAS)、毫米波射电望远镜等的一系列观测结果证明了这种恒星形成的物理图像。 恒星形成之后，就开始了它漫长的演化历程。恒星形成后光和热的来源，是其中心由氢聚变为氦的核反应，由此产生的气体压力、辐射压力同引力相平衡，恒星的体积和温度不再明显变化，进入一个相对稳定的演化阶段，称主序星阶段，这是恒星一生中最长的一个阶段。迄今发现的恒星，90处在主序星阶段( 包括我们的太阳在内)，但是质量不同的恒星在主星序上停留的时间不同。质量越大，光度越大，能量的消耗也越快，在主序星阶段停留的时间就越短。如太阳在主星序上可停留100亿年，它至今才度过了一半岁月；15倍太阳质量的恒星只停留1千万年，而0.2倍太阳质量的恒星则要停留1万亿年。 在主序星内部，越接近中心，温度越高。因此在中心处核反应最强烈，愈近中心，氢就愈早耗尽，逐渐形成一个不产能的氦核，氦核的周围是正在进行核反应的氢产能壳层。随着氢的不断消耗，不产能的氦核就不断扩大。当氦核大到一定程度时，它就因无法抵抗星体的自引力而猛烈坍缩，坍缩所释放的引力能，一部分使氦核温度升高，另一部分则转移到外部，使恒星外壳急剧膨胀，体积急剧增大，从而温度下降，恒星演化进入红巨星阶段。 恒星从主星序向红巨星演化的过程中，氦核外的氢燃烧是主要的能源。氦核坍缩到一定程度即温度升高到1亿度，密度超过每立方厘米106克时，就触发了氦聚变为碳的热核反应，这时内部的氦燃烧与壳层的氢燃烧一起为恒星提供能量，恒星的体积、光度都很大，成了典型的红巨星。氦燃烧后又出现碳和氢聚变为氧、进一步聚变为硅、镁以及其它越来越重的元素的聚变过程，直到合成最稳定的铁为止。这一阶段的恒星经历了多次的膨胀与收缩，光度也发生周期性的变化。如把恒星在主星序称为“壮年期”的话，那这一阶段就可称为“更年期”。当恒星内部的核燃料耗尽后，原来由热核反应维持的辐射压力不复存在，星体将在引力作用下坍缩，直到出现一种新的斥力顶住引力为止。于是恒星进入了它的老年期。恒星的最后归缩与其初始质量相关，初始质量小于8 倍太阳质量的恒星最终将成为白矮星。(如我们的太阳最后结局将是形成一个白矮星)白矮星是一种颜色发白、体积很小的恒星，其密度高达105109克/厘米3。在白矮星中，强大的引力作用把原子核外的电子压缩得紧密排列在一起，产生一种称为电子简并压力的向外斥力抵住向内收缩的引力。白矮星的向外辐射主要是余热的辐射。质量为8-50倍太阳质量的恒星在核燃料耗尽后会发生极猛烈的爆发，在短短几天内亮度陡然增加千万倍甚至上亿倍，称为超新星。（超新星:从SN1885A到SN1997c共为1157颗,仅1997年前5个月就有100颗, 北台近来发现了23颗。）爆发时抛射大量的物质，成为碎块和弥漫物质，最后留下的星核密度极大、质量比原来小得多，称为中子星。中子星几乎全是由挤得极紧的中子组成，密度高达原子核密度的量级( 原子核密度约为2.81014克/厘米3)。顶住引力的斥力是来自挤得极紧的中子简并压力。中子星被认为是宇宙间最致密的天体。1974、1993年度两次诺贝尔物理奖的得主都是颁给研究中子量、脉冲星的天体物理学家的。大于50倍太阳质量的恒星将最终变为黑洞。黑洞是一种引力强大得连光都发射不出的天体。按广义相对论(由爱因斯坦建立的一种关于引力的相对论性理论)，任何一个球对称的天体，都有一个临界半径rg2GM/C2，若星体的半径rrg，那在rg以内的时空特征与rg以外的时空特性完全不同，而以rg为半径的球面称为视界。当一个星体成为黑洞时，视界以内的任何信息都不可能传给视界外的观测者。奇特的白矮星 1834年，天文学家弗里德里希贝塞尔注意到天空中最亮的恒星天狼星的运动比较奇特，它在空间的路径不象通常的恒星沿一条直线运动，而是沿弯弯曲曲的路径运动。这位天文学家立即预言，天狼星旁一定存在着一颗看不见的伴星。这颗神秘的星被叫做天狼B星。1862年，阿尔文克拉克根据理论计算的位置，终于找到了这颗伴星，它比天狼星的亮度要暗1万倍，就象是耀眼阳光下的烛焰。而令人惊讶得是，它的密度竟达千克/米3，（该伴星质量为0.93太阳质量，而半径仅为太阳的87.4分之一）。比地球上已知密度最大的金属还要高4万倍。这相当于把法国的艾菲尔铁塔压缩到30立方厘米内。这在当时是简直难以想象的。 天狼星伴星发现以后，天文学家又发现了一批与其性质类似的恒星。它们的质量同太阳差不多，而体积与地球差不多，有的甚至更小，密度达千克米。其表面温度约为1万度，颜色发白，这种“个子”小，颜色“白”的恒星，被命名为白矮星，迄今已发现了千余颗白矮星，而按理论推算，全部恒星的10%（约为亿颗）应该为白矮星。那么白矮星是由什么组成的呢？白矮星的密度为什么这么高，在20世纪初这是不可想象的。直到卢瑟福发现原子的核式结构，秘密才被揭开。众所周知，地球上所有的物质都是由各种不同的原子组成的，一个原子体积非常小，半径只有10-10米，而原子又由原子核和若干个电子组成，原子核集中了原子的绝大部分质量，而电子运动的空间是很大的。假如核的大小如一粒弹子，则电子轨道即整个原子尺度就伸到2千米以外。估算一下原子核的密度，竟高达千克米。与核密度比较，白矮星的密度就不算什么了。简并物质与白矮星结构在原子中，带负电的电子被带正电的核以库仑力束缚，并不停地绕核旋转。正如气体分子对容器壁的不断撞击造成压力一样，被核束缚的电子也能产生一种压力以防止物质的收缩无限制地进行。这个限制就是由泡利不相容原理所决定的，这完全是一种量子效应，它预言了简并物质的存在，泡利不相容原理指出：自旋为1/2奇数倍的粒子（称费米子），不可能处于相同的量子状态。一个量子态可以设百粒子，但不允许有两个以上的费米子占据。这里自旋是基本粒子的一种与其角动量相联系的内禀性质。我们考虑一个盒子里的电子气，一个电子的量子态由电子的能量、动量、自旋来决定。按量子理论，这些物理量只能取一些分立的值，即一个被称为普朗克常数的整数或半整数倍（h/2）.在日常生活中这种分立值是完全不可觉察的，因h/2是如此之少。宏观物体具有庞大的自旋，一个小孩玩的陀螺的自旋达到h。因此，这种不连续性只是在微观世界才变得显著。当把电子气压缩到越来越小的体积里，那么终将达到这样一个限度，即所有的能量和动量状态都被具有所有可能自旋取向的电子所占据。若再压缩，这时不相容原理起作用，阻止电子气进一步变稠密。电子产生一种巨大的内部“量子”压力（简称并压），以反抗任何外来试图把体积进一步缩小的作用力。简并压完全是一种量子行为，与温度无关。这与通常的气体压强不同。美国科学家富勒（RFowler）第一个把量子理论用于天体物理，192年，他提出，一个没有内部辐射压的恒星将在引力作用下不断收缩一直到所有电子占据所有可能的量子态。这时由于电子的简并压抵抗，引力收缩不再继续。1983年诺贝尔物理奖得主，印度天体物理学家钱德拉塞卡利用富勒的思想，证明了白矮星存在一个最大允许的质量。并计算出来是1.4M，按目前的观测与理论研究，M4.7 M的恒星都将演化成白矮星，大多数的白矮星质量都0.6 M左右。新星与白矮星 银河系里的恒星多数是以双星方式存在的。作为一颗白矮星，它发出的能量来源于自己的余热，从而星体逐渐冷却，但白矮星本性节俭，它冷却的时标长达数十亿年的时间，最后的结局就是停止任何辐射，成为一颗黑矮星。但若是处在双星系统中的白矮星，两星靠得又比较近，则其长期演化的性质将会改变，改变的原因主要来源于物质转移。若白矮星的那个伴星是处于大膨胀状态的红巨星，则其表层物质会被白矮星的引力吸过去，一般来说，吸过去的物质不会直接落到白矮星表面，而是环绕白矮星形成一个大致偏平的结构，叫吸积盘，若是磁白矮星，那么吸积气体会沿磁力线落向白矮星的两个磁极，由于撞击