书城科普读物探究式科普丛书-浩瀚的宇宙
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第11章 茫茫太空的主角——太空天体(4)

这一刻,太阳系是由固态星、质子星和气态巨型星构成的。“小行星体”不断碰撞,质量也渐渐变大。千万年到亿万年之后,最终形成了10多个运行于稳定轨道的行星,这就是太阳系。在漫长的历史中,这些行星的表面,可能发生极大地改变或遭到碰撞。

其二,太阳星云的来源是什么?

一般认为,银河系的第一代恒星几乎全是由氢组成的。而第二代、第三代恒星,在形成的初期,便含有许多种较重的核素。基于在太阳上存在许多种核素,天文学家们认为,太阳是银河系中的第二代或第三代恒星,太阳上的那些较重的核素,就是来自银河系中的第一代恒星。天文观测表明,在银河系中,存在着大量的双星系或多星系恒星,即两个或多个非常接近的恒星,不仅环绕银河系的中心运行,还彼此相互环绕运动。

假设银河系中,某个双星系或多星系中的一个质量是太阳的10倍以上的恒星,在80亿年前发生超新星爆发,则其喷射出的大量物质,会以球面的形态扩散开来。显然,以这种方式扩散开来的物质,由于以极快的速度飞向四面八方,最终甚至有可能冲出银河系,所以它不大可能形成太阳星云。但如果该恒星的伴星(质量是太阳的8倍以上)彼此相距较近,在附近超新星爆发产生的巨大冲击作用下,其外层的大量物质被剥离,并以相对较慢的速度,呈团状飘向远处。假如被剥离物质的总量足够大,则这些被剥离的团状物质,经过漫长的岁月后,就有可能在银河系中逐渐演化成一个新的星云—太阳星云,并最终从中诞生出银河系的第二代、第三代恒星—太阳,以及太阳系中包括地球在内的各大行星。

其三,太阳星云是如何变化的?

球粒陨石,是太阳星云冷凝吸积的直接产物。其中的顽火辉石球粒陨石,具有非常特殊的岩石矿物学特征,它是揭示太阳星云在极端还原条件下演化的钥匙。此外,对此类型陨石的研究,还有助于人类认识太阳星云在径向上物质组成的变化规律。

5.万物生长之源—太阳系

其一,太阳系是什么?

太阳系,是以太阳为中心和所有受到太阳引力约束的天体的集合体。它包括8颗行星、至少有165颗已知的卫星、3颗已经辨认出来的矮行星(冥王星和它的卫星)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。

广义上,太阳系包括太阳、4颗像地球的内行星、由许多小岩石组成的小行星带、4颗充满气体的巨大外行星、充满冰冻的小岩石、被称为柯伊伯带的第二小天体区。在柯伊伯带之外还有黄道离散盘面、太阳圈和依然属于假设的奥尔特云。

依照距太阳的距离,行星依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。外侧的行星,都有由尘埃和许多小颗粒构成的行星环绕着,而除了地球之外,肉眼可见的行星以五行命名,在西方则全都以希腊和罗马神话故事中的神为名。3颗矮行星是:冥王星—柯伊伯带内最大的天体之一,谷神星—小行星带内最大的天体,还有属于黄道离散天体的阋神星。

在太阳系中,有比水还轻的行星吗

土星的体积虽然庞大,但它的平均密度却比水还要小。水的密度为1,而土星的密度仅为0.7。它是八大行星中密度最小的一个,也是唯一一个密度比水还小的行星。若将土星放在浩瀚的宇宙海洋中,它是唯一能浮在水面上的天体,只是在宇宙中,难以找到这么大的海洋而已。

其二,太阳系的运转轨道

太阳系,是由受太阳引力约束的天体组成的系统。它的最大范围可延伸到约1光年以外。太阳系的主要成员有:太阳、八大行星、无数小行星、众多卫星,还有彗星、流星体以及大量尘埃物质和稀薄的气态物质。在太阳系中,太阳的质量占太阳系总质量的99.86%,而其他天体的总和还不到太阳系的0.2%。太阳是太阳系的中心天体,它的引力控制着整个太阳系,使其他天体绕太阳公转。太阳系中的八大行星都在接近同一平面的近圆轨道上,朝同一方向绕太阳公转(金星除外)。

太阳系的主角是位居中心的太阳,它是一颗光谱分类为G2V的主序星,拥有太阳系内已知质量的99.86%,并以引力主宰着太阳系。木星和土星,是太阳系内最大的2颗行星,又占了剩余质量的90%以上。目前仍属于假说的奥尔特云,还不知道会占有多少百分比的质量。

太阳系内主要天体的轨道,都在地球绕太阳公转的轨道平面(黄道)的附近。行星都非常靠近黄道,而彗星和柯伊伯带天体,通常都有比较明显的倾斜角度。

由北方向下鸟瞰太阳系,所有的行星和绝大部分的其他天体,都以逆时针(右旋)方向绕着太阳公转。也有些例外的,如哈雷彗星。

环绕着太阳运动的天体,都遵守开普勒行星运动定律。轨道是一个以太阳为焦点的椭圆,并且越靠近太阳,速度越快。行星的轨道接近圆形,但许多彗星、小行星和柯伊伯带天体的轨道,则是高度椭圆的。

在这辽阔的空间中,有许多方法可以表示出太阳系中每个轨道的距离。实际上,距离太阳越远的行星或环带,与前一个的距离就会更远,只有少数的例外。例如,金星在水星之外约0.33天文单位的距离上,而土星与木星的距离是4.3天文单位,海王星又在天王星之外10.5天文单位。曾有些关系式企图解释这些轨道距离变化间的交互作用,但这样的理论从未获得证实。

彗星出现预示着人间有灾难吗

彗星的形状很特别,像一把大扫帚。在科学不发达的古代,人们对这种出没无常、形状怪异的天体感到莫名的恐惧,常常把它和天灾人祸联系起来,认为它是灾祸的前兆。中国古书上曾称它为妖星、扫帚星。其实,彗星也和地球一样,是太阳系的普通成员。许多彗星都沿着扁长的轨道绕太阳运行,人们可以精确地预言它们露面的时间。彗星的出现与天灾人祸毫无关系。

其三,太阳系的形成和演化

太阳系的形成,依据的是星云假说,它是最早于1755年由康德和1796年由拉普拉斯各自独立提出的。这个理论认为,太阳系是46亿年前,在一个巨大的分子云的坍缩中形成的。分子云的坍缩形成了数颗恒星。通过研究古老的陨石而追溯到的元素显示,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加,使得重力得以克服内部气体的膨胀压力造成坍缩,因而触发了太阳的诞生。

被认定为原太阳星云的地区,就是日后将会形成太阳系的地区,直径估计在7000~20000天文单位,而质量仅比太阳多一点(多0.001~0.1太阳质量)。当星云开始坍缩时,角动量守恒定律使它的转速加快,内部原子相互碰撞的频率增加。其中心区域集中了大部分的质量,温度也比周围的圆盘更热。当重力、气体压力、磁场和自转作用在坍缩的星云上时,它开始变得扁平,成为旋转的原行星盘,而直径大约200天文单位,并且在中心,有一个炽热且稠密的原恒星。

1亿年后,在坍缩的星云中心,压力和密度将大到足以使原始太阳的构成元素—氢开始热融合,这会一直增加到实现流体静力平衡,使热能足以抵抗重力的收缩能。这时,太阳才成为一颗真正的恒星。

在太阳系的内侧,因为过高的温度,使水和甲烷这种易挥发的分子不能凝聚,因此形成的星子相对的就比较小(仅占有圆盘质量的0.6%),并且主要的成分是熔点较高的硅酸盐和金属等化合物。这些石质的天体,最后成为类地行星。再远一点的星子,受到木星引力的影响,不能凝聚在一起成为原行星,而成为现在所见到的小行星带。

在更远的距离上,在冻结线之外,易挥发的物质也能冻结成固体,就形成了木星和土星这些巨大的气体巨星。天王星和海王星获得的材料较少,并且因为核心被认为主要是冰(氢化物),因此被称为冰巨星。

年轻的太阳一旦开始产生能量,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。

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。这就会使太阳不断变亮,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。

其四,太阳系的邻近区域。

银河系中,恒星疏疏落落的区域被称为本星际云的区域,而这就是太阳系所在的位置。这是一个形状像沙漏、气体密集而恒星稀少、直径大约300光年的星际介质,称为本星系的区域。这个星系充满的高温等离子,被认为是由最近的一些超新星爆炸产生的。在距离太阳10光年(15亿千米)内只有少数几颗恒星,最靠近的是距离4.3光年的三合星,半人马座α。半人马座α的A与B,是靠得很近且与太阳相似的恒星。而C(也称为半人马座比邻星),是一颗小的红矮星,以0.2光年的距离,环绕着这一对双星。接下来是距离6光年远的巴纳德星、7.8光年的沃夫359、8.3光年的拉兰德21185。在10光年的距离内,最大的恒星是距离8.6光年的一颗蓝巨星—天狼星,它的质量约为太阳的2倍,有一颗白矮星(天狼B星)绕其公转。在10光年范围内,还有距离8.7光年由两颗红矮星组成的鲸鱼座UV和距离9.7光年孤零零的红矮星罗斯154。与太阳相似而最接近我们的单独恒星,是距离11.9光年的鲸鱼座τ,质量约为太阳的80%,但光度只有60%。

其五,星系的关联。

太阳系是位于一个被称为银河系的星系内,直径10万光年,拥有约2000亿颗恒星的棒旋星系。我们的太阳,位于银河外围的一条旋涡臂上,称为猎户臂或本地臂。太阳距离银河2.5万~2.8万光年,在银河系内的速度大约是220千米/秒,因此环绕银河公转一圈需要2亿2千5百万至2亿5千万年,这个公转周期称为银河年。

太阳系在银河系中的位置,是地球上能发展出生命的一个很重要的因素。它的轨道非常接近圆形,并且和旋臂保持大致相同的速度,这意味着它相对旋臂是几乎不动的。因为旋臂远离了有潜在危险的超新星密集区域,使得地球长期处在稳定的环境之中,得以发展出生命。太阳系也远离了银河系恒星拥挤群聚的中心。接近中心之处,附近恒星强大的引力对奥尔特云产生的扰动,会将大量的彗星送入内太阳系,导致与地球的碰撞,而危害到正在发展中的生命。银河中心强烈的辐射线,也会干扰到地球上复杂的生命发展。即使太阳系目前所处的位置,有些科学家也认为,在3.5万年前,曾经穿越过超新星爆炸所抛射出来的碎屑、朝向太阳而来的有强烈的辐射线以及小如尘埃,大致类似彗星的各种天体,曾经也危及地球上的生命。

其六,地月系。

地球与月球,构成了一个天体系统,称为地月系。在地月系中,地球是中心天体,因此一般把地月系的运动,描述为月球对于地球的绕转运动。然而,地月系的实际运动,是地球与月球对于它们的公共质心的绕转运动。地球与月球,围绕它们的公共质心,旋转一周的时间为27天7小时43分11.6秒,也就是27.32166天,公共质心的位置在离地心约4671千米的地球体内。

地球同它的天然卫星—月球所构成的天体系统中,地球是它的中心天体。由于地球质量同月球质量相差悬殊(比例81.1∶1),地月系的质量中心,距地球中心只有约1650千米。通常所说的日地距离,实际上是太阳中心和地月系质心的距离。通常所说的月球绕地球公转,实际上是月球绕着质心的公转。由于这种公转的共同质心在地球内部,因此有着以地球恒星月为周期的位移。