Question

太阳系的形成

Answer 1

内容简介：

星云坍缩，中央形成一个气尘球，并在赤道外形成一个吸积盘。

太阳诞生时，把富含重元素的气尘物质向外抛出，靠近太阳的内圈层截获大部分重元素物质。同时吸积盘分裂成九个同心圈层一起绕着太阳旋转。

在太阳风（或彗星的轰炸）的作用下，各圈层都产生断裂，并向外卷缩，每个圈层都形成两颗大小不一的顺、逆转星球，一起绕太阳旋转。

类木行星圈的逆转星球被顺转星球吞没。

演化成现代的太阳系。(注:行星运动无需上帝的第一次推动，是自然演化的结果。)

太阳系原始星云是从银河系的原始星云中分裂出来的一团不规则形状的、稀薄的气体尘埃云。经过长时间的引力坍缩，星云有了一个比较大的自转速度，同时也收缩成一颗不很规则的气尘球。并在赤道外形成一个气尘盘。在这个气尘盘不断吸积状大的同时，中央天体的气尘球不断地收缩，中心的压力逐渐增大，当中心的温度、 压力升高到足以引发热核反应时，太阳就胚育而成了。

热核反应的产生也伴随着大规模的热对流，即冷的气体沉入太阳中心，中心的气体受热膨胀后冲出球面。冲出球面的气体也把中心的重元素物质运移到球面，并促使太阳外部气体迅速膨胀。这种膨胀夹杂着猛烈的爆发，把富含重元素的气尘物质抛离球面。这些富含重元素的气尘物质温度很高，同时在太阳辐射能的作用下，致使气尘盘迅速膨胀。膨胀后的气尘盘的内圈（类地行星圈）截获了大部分被太阳甩出的重元素物质。圈中原有的气尘物质经过分馏后，大部分的气体逸散到太阳系的空间去。

由于太阳大气的影响，使气尘盘中的物质越靠近太阳，绕太阳旋转的角速度被加速得越快。气尘盘中的物质绕太阳旋转的角速度不同，致使盘中物质分裂成许多个大小不一的同心圈层，一起绕着太阳旋转。同时，气尘圈从太阳里获得角动能后也会向外扩展，而且有些圈层也有可能产生断裂口。但是如果太阳诞生前，气尘球具有足够大的自转速度，也可能直接导致气尘盘分裂。

太阳经过一段不规则的热核反应后，逐渐趋于平稳。笼罩在太阳系中的大部分气尘物质（主要是氢元素）也逐渐地收归太阳，而且整个太阳系除了太阳外，其它的区域都处于降温过程。太阳系边界处的气尘物质的密度小，散热快，因此黄道面外的未收归太阳的气尘物质首先凝结成小颗粒，这些小颗粒不断地聚集在一起，形成一颗颗不很规则的小球。当小球聚集到一定的质量时，便被太阳强大的引力吸引过去。小球掉向太阳途中，速度不断加快，有的掠过太阳，轰炸了黄道面上的气尘圈，促使这些气尘圈产生断裂口（在太阳风的作用下，气尘圈也可能产生断裂口），并在太阳风的作用下，不断地向两边卷缩（向外）。由于太阳带领着黄道面上的气尘圈快速地旋转，而且太阳的自转角速度大于气尘圈绕太阳旋转的角速度，因此气尘圈中的物质产生断裂口后，顺向卷速较快，逆向卷速较慢。随着两边物质的不断聚集，这样的卷速就不断加快，比例也越来越悬殊，所以形成了两颗大小不一，自转方向相反的星球，中间连着一条弧形的带子。断裂层中的物质质量越大，形成的两颗星球的质量越大，它们自转速度也越快。因为同一个断裂层里的两颗星球主要是靠吞吃断裂层中的物质不断地壮大自己的。星球的质量越大，它的引力越大，吞吃的速度越快，就像滚雪球一样，越滚越大，越滚越快。当两球中间的带子被卷完时，顺向旋转的星球较大，逆向旋转的星球较小（金星例外）。类木行星各圈层演化过程中，形成的两颗顺、逆转星球的密度不大，产生了“金包银”的现象，就是逆转的小星球被顺转的大星球吞没。所以形成的大行星的公转方向和自转方向都与太阳的自转方向相同（天王星的自转方向例外）。类地行星圈距离太阳比较近，受太阳的直接影响比较大，而且各圈层演化过程中，形成的两颗顺、逆转星球的密度也比较大，因此，各圈层演化过程中：金星断裂层分化为水星和金星；地球和火星断裂层分别演化成地月系和“火子系”；（注：火星断裂层的逆转星球有可能直接掉入太阳，并没有形成火子系。）火星和木星轨道之间的断裂层的两颗顺、逆转星球碰撞时产生爆炸，而逐渐演化为现今的小行星带。

在太阳系的演化过程中，水星轨道上也许本来就没有一个气尘圈，水星和金星很可能是由金星断裂层中的物质直接分化出来的，实质上水星是金星断裂层中的顺转星球。由于金星断裂层距离太阳最近，它受太阳风的影响也是最大的。太阳经过一段不平稳的热核反应后逐渐趋于平稳，这时笼罩在太阳系的气尘物质也逐渐地收归太阳，特别是从太阳两极地区流归太阳的气尘物质受热膨胀后，包没了金星断裂层。这些受热膨胀的气尘物质在太阳的驱动下，跟随太阳旋转的速度比金星断裂层中的物质绕太阳旋转的速度快。因此这些受热膨胀的气尘物质与金星断裂层中的物质发生摩擦时，促使金星断裂层中的物质向金星聚拢。同时，太阳辐射出来的高能粒子流（太阳风）以弧线的形式向前推进，也具有让金星断裂层中物质向金星聚拢的趋势。因此，金星断裂层演化过程中，逆转星球大于顺转星球，成为太阳系中的一个特殊圈层。这也能解释金星大气比地球大气多很多的问题。

太阳系的各圈层演化过程中，总是顺转星球追上逆转星球的。当两球比较接近时，水星在金星和太阳引力的作用下，脱离原来的运行轨道而逐渐地进入现今的水星轨道，成为太阳系中距离太阳最近的一颗大行星。金星断裂层中的金星也就成了太阳系中的一颗特殊的逆转向大行星。水星不可能在现今的轨道附近形成，因为太阳的潮汐力会把刚形成，不牢固的“水星”撕碎。何况太阳刚诞生时的直径要比现在的直径大得多。

地球和月球在形成地月系前是同一个断裂层里的两颗顺、逆转星球。它们同样遵循各大行星的形成过程，只是两颗星球接近时，月球曾在地球上“软着陆”。由于地球内部充满了可塑性的熔融物质和一些气体元素，月球被地球内部的压力反弹出来，再加上地球快速自转的缘故，月球就像一个大车轮，以接触面的东端为转轴，沿着地球自转的方向向外滚出，它的自转方向被彻底地改变。所以，地月系形成后，月球绕地球公转的方向与自转的方向都和地球的自转方向相同。

火星断裂层距离太阳比较远，受太阳的影响比内圈小，所形成的子星（逆转星球）和火星（顺转星球）质量的比值小于月、地质量之比。火星断裂层有可能演化成“火子系”。并且子星在围绕火星公转的同时，远离火星的速度比月球远离地球的速度快得多。当子星远离火星达到一定的距离时，在内圈行星及太阳引力的作用下脱离轨道掉入太阳。如果这种推断是正确的，那么在现今的火星上应该残留着远古时代“潮汐”作用的痕迹。这有待“火星探险”来得到证明。（注：逆转星球在很大程度上直接掉入太阳，并没有形成火子系。）火星和地球一样，在聚集过程中合并了一些放射性元素和一些水合化合物。火星形成后不久，表面冷却，而内部还十分炽热，这样就会把岩石中的水激发出来，并流出表面。经过一段时间之后，放射性元素的衰减，使火星内部的产能机制下降，表面水渗入火星内部。在现今的火星内部很可能存在着一个同温圈层，并且允许液态水或固态水的存在，以前表面上的水就储存在这个圈层里。如果我们能够把小行星带中的小行星牵引过来成为火星的卫星，以加强火星内部的产能机制，就有可能把这些水重新激发出来。原始形成的火星应该保存有很多的大气，可现在火星表面上的大气却十分稀薄，那些大气哪里去了呢？一种可供解释的是，由于木星巨大质量，它产生的潮汐力不仅影响到小行星带，甚至影响到火星上。火星在绕日公转中每次与木星交会，都会被抽走部分大气，致使火星大气越来越稀薄。

火星和木星轨道之间的断裂层，（现在的小行星带）当时的总质量应该大于内圈的任何一个断裂层的总质量。这个断裂层演化过程中形成的两颗顺、逆转星球的质量，远远地大于地球和月球的质量。当顺转星球追上逆转星球时，强大的引力促使两颗星球迅速接近、碰撞，并产生爆炸，爆炸后大部分的物质飞离了原来的运行轨道，其余的仍留在轨道内。火星现存的两颗卫星以及木星中的一颗不规则的，呈三角棱体的卫星，就是这个断裂层中两颗顺、逆转星球爆炸后飞离原来运行轨道的残骸。那些仍留在轨道内的物质，有熔融的，也有残片碎块。熔融的物质冷却后凝结成球状的小球，而残片碎块在长期的碰撞碎裂中，逐渐布满整个运行轨道。但也可能木星质量大，形成较早，它的潮汐力不允许小行星带这个位置形成大行星，而以小行星的形式布满整个运行轨道。或许这个小行星带的存在更能够说明这个理论阐明太阳系形成过程的合理性。

冥王星是太阳系九大行星中质量最小的一颗行星(注：冥王星现已不在大行星行列，但纵观冥王星的形成过程与其它大行星的形成过程并没有什么不同。小弟再小，也不能把他当做侄儿看待。所以我认为冥王星应属大行星的行列。)。它具有以下几个特点：

1、冥王星的物质含量类似于类地行星；

2、它的公转轨道的近日点切入海王星的公转轨道内；

3、它的公转轨道面与黄道面的夹角是其它行星公转轨道面与黄道面夹角平均值的3倍多；

4、它拥有一颗比例最大的卫星“卡戍”。

如何合理地解释以上的几个问题，也是了解太阳系形成过程中的一个关键性问题。我认为太阳诞生时，把富含重元素的气尘物质抛出球面，有的掠过气尘盘的顶峰，以弧线的形式汇聚于气尘盘的外圈，致使冥王星的物质含量类似于类地行星。这样也能很好地解释海王星的气尘壳，以及海王星平均密度大于天王星平均密度的问题。要解释冥王星的公转轨道面与黄道面具有这样大的夹角，以及它的近日点在海王星的公转轨道内，最合理的解释是“碰撞”，而最有说服力的就是冥王星断裂层演化过程中，顺转星球（冥王星）受到逆转星球（卡戍）的撞击。这样也能比较合理地解释冥王星为什么会拥有这样大的一颗卫星。

太阳系各圈层演化过程中，形成的顺、逆转星球的质量越大，它们的自转周期越短。类木行星各圈层演化过程中，形成的顺、逆转星球都不是圆球体，而是扁球体。当顺转星球追上逆转星球时，在强大引力的作用下，两颗星球迅速接近。由于它们的自转方向相反，逆转星球陷入顺转星球时，致使顺转星球赤道部分的气体向外喷出，同时也促使顺转星球（顺、逆转星球的组合体）的角动能迅速降低，致使喷出后的气体云带与中心的球体脱离。这样在木类行星赤道外，就形成了一个气体云盘。太阳系低纬度区域聚集而成的小球不断地向内圈迁移，并在黄道面物质引力的作用下（主要是类木行星的引力摄动作用），改变了运行轨道。当小球掠过类木行星的速度足够大时，它就成为类木行星的卫星，而且这种卫星以后可能还会不断地产生；当小球掠过类木行星的速度不够大时，它就掉到类木行星上去；当小球掠过类木行星的速度和角度适当时，它就可能穿过类木行星的表层，并附带出一条气体云带。小球在穿越类木行星浓密的大气层时产生了激烈的燃烧，同时，在类木行星潮汐效应的作用下被拉长或撕碎。这样在类木行星上就再产生了一个由气尘物质、碎石块等物质组成的圈带。由于掉落到各类木行星的小球的质量、数量、速度、角度以及时间都不相同，因此，各大行星形成的圈带也就各不一样。有的环中套环，有的宽，有的窄，有的甚至扭结在一起。从我们地球上看去，它们就像一个个美丽的彩色光环。

类木行星中的小卫星多数是由太阳系低纬度区域凝集成的小球掉到黄道面上来，成为各大行星的卫星。它们不同于地球的卫星——月球。因为月球是由黄道面上断裂层中的物质直接分化出来的。类地行星距离太阳比较近，空间区域中残存的气尘物质比外围少，而且在太阳辐射压力的作用下，这些气尘物质也不可能凝集成小球掉到黄道面上来。因此，太阳系里类木行星的卫星多，而类地行星的卫星少。

类木行星中的绝大部分大卫星都没有受到强烈陨石轰炸的证据，这说明这些大卫星形成的时间较晚。因为月球在40亿年前曾经遭受大量陨石的轰炸，太阳系中的各大行星，同时期也会受到这种陨石的强烈轰炸。因此，类木行星中大卫星的形成机制有待于我们的进一步探讨。就我个人认为，这些大卫星都是由其主星直接分化出来的。这种分化并不是从主星上掉下一块“肉”，之后演变成一颗卫星。这些大卫星的形成机制是从象木星云层中的大红斑开始的。木星核心区域高温高压的环境致使部分物质象火山爆发一样向外喷出，在木星云层中形成一个高温红斑，随着物质的不断加入，红斑的体积逐渐增大。经过一段时间的喷发之后，木星核心区域的压力得到缓解，喷发停止。大红斑得不到高温物质的补充，就会迅速冷却下来。就像芭蕾舞场上的舞娘收回双臂，使身体的自转速度加快。这种作用会产生象直升飞机向上托起的动力学机制。大红斑在冷凝过程中冲出云层，之后凝聚成一颗木星的卫星。类木行星中的大卫星都是以这种方式形成的。可以说，大红斑是卫星形成的摇篮。天王星的磁场怪异，或许说明它内部具有多个核心固体核。除了核心固体核之外，其余的固体核是由大红斑凝聚的小球掉到主星上的。这些固体球对天王星的轰炸，导致其自转轴的空间指向产生大的变化。但也可能是顺、逆转星球碰撞时，使天王星的自转轴产生变化。类木行星的逆转星球和由大红斑形成的固体球陷入顺转星球时产生的凹形部分，尽管会被星体外表的流体物质所充填，但它对星体磁场的扰动可能会长久地留存下来。如果星体内部存在着多个固体团块，那么在卫星引力的摄动下，就会导致星体的磁场分布产生变化或不规则的变动。前面谈到类木行星云层中的红斑会凝聚成一颗球体，这颗球体最终有两种归宿。一种是成为卫星，一种是掉落到主星上。而这些掉入主星的球体最后可能聚结在主星内核的赤道附近，使内核向赤道外鼓起。这也许就是天王星和海王星的磁极位置偏离自转轴的主要原因。

在太阳系的演化过程中，一些未收归太阳和未聚集到气尘盘上来的物质，逐渐凝结成小颗粒，它们不断地聚集在一起，形成一颗颗小球。这些小球处于太阳系较高纬度的区域，离心力较小，它们大部分掉到太阳上去，有的掠过太阳成为彗星。因此，彗星轨道面与黄道面一般都有较大的夹角。

彗星也是加速太阳系形成的一大功臣。太阳系刚形成初具规模时，彗星的数目极多，有的质量也比较大，而且刚产生的彗星的彗发和彗尾都比较短，它们就像太阳系里的吸尘器，辛勤地收集着黄道面外的物质，不断地壮大自己。可是，彗星每次靠近太阳时总要散失部分质量，这样就导致了大多数彗星的公转周期具有增长的趋势，它的公转轨道的扁率也逐渐增大。所以，一般公转轨道扁率越大、公转周期越长的彗星，它的产生就越早。在我们太阳系里现存的高纬度区域和低纬度区域的彗星，是较高纬度区域的彗星在长期的公转中受到黄道面上大行星摄动的结果。（注：以上谈的都是公转周期较长的彗星）

彗星的产生方式很可能是多种多样的，我们不能排除太阳系外的星云碎片突入太阳系的可能性。如果彗星是由这种星云碎片演化形成的，那么，这种彗星对于太阳来说就有任意不同的取向，它的轨道扁率也应该很大，很接近1或大于1。不过这种机遇实在太少了，这就像是“宇宙人”光顾我们地球的机会一样渺茫。我们太阳系里的长周期彗星，绝大部分是由太阳系原始星云直接演化形成的。因为太阳系原始星云收缩成气尘球，并形成气尘盘的同时，有相当部分的气体云脱离了气尘球，但没有聚集到气尘盘上去。太阳诞生后，释放出巨大的辐射能，把这些气体云吹到遥远的地方（太阳系的引力场范围之内，甚至会被吹出太阳系）。这些气体云不断吸积周围的尘粒和太阳辐射出来的粒子，逐渐演化形成彗星。长周期的彗星绝大部分时间是处于太空旅行，它在太空遨游的过程中，不断吸积周围的尘粒以壮大自己，因此它再次靠近太阳时，在太阳引力的作用以及大行星的摄动下，致使它的运行轨道变为抛物线或双曲线。太阳系里一些短周期的彗星，如：木星族的彗星和土星族的彗星，它们大多数是由火星和木星轨道之间的断裂层演化过程中的顺、逆转星球爆炸后的碎片形成的。

我们太阳系里的彗星将来还会不断地产生，又不断地瓦解。因为太阳辐射出来的高能粒子以螺旋线的方式向外展出，在我们太阳系引力场范围内就弥漫着无数的“高能粒子”，这些粒子通过相互碰撞，合并形成“宇宙尘”或小颗粒，这些小颗粒和宇宙尘又不断地聚结在一起，逐渐长大形成小球。这些小球不是围绕太阳的中心旋转，它是以太阳两极的延长线为转轴，而且旋转的速度不大，方向也不尽相同，这主要取决于小球的形成过程。小球在绕轴旋转的过程中，不断地向内圈迁移，它的轨道面与太阳中心也逐渐接近，同时，在大行星引力的摄动下，小球的轨道面与黄道面产生倾角，致使小球很快地改为绕太阳的中心旋转，它的螺旋形轨道也迅速变为椭圆形轨道。因此，产生的彗星的轨道面与黄道面具有较大的夹角。这种彗星对于太阳来说具有任意不同的取向，它的质量一般不很大，而且它靠近太阳时，往往会产生指向太阳的反常彗尾。

至于彗星的瓦解，追其根源主要是物质的膨胀系数不同。因为彗核包含了许多种物质，各种物质在彗核里不是均匀地分布，它每次靠近太阳时，总要蒸发出许多气体，再加上彗核的质量小，压缩效应不显著，这样，整个彗核就呈现出蜂窝式的结构。当彗核受到多次加热和冷却后，就导致彗核破裂。

太阳系是由一团尘埃气体云坍缩演化形成的，它在聚集过程中，重元素物质必定大部分集中到气尘球的中央，形成一个重元素物质的集中区。这从自然界的沉淀法中很容易理解这个问题。如果太阳刚诞生时象现在这样氢核聚变反应，而没有伴随着大规模裂变反应的进行，那么太阳中心的重元素物质除了部分被太阳甩出外，其余的大部分重元素物质仍然隐藏在太阳中心。尽管太阳中心的温度很高，但由于压力极大，这些重元素物质很可能会被压缩成一个密度极大的“固体球”。由于热核反应中物质的运动方向主要表现为垂直球面的向上运动，因此太阳中心的固体球除了表面部分重元素被分离外，其余的重元素物质很可能幸存下来。而且太阳在漫长时间里的聚变反应中，产生的中子也有部分集中到太阳中心去，这些中子与太阳中心幸存的重元素物质紧密地结合在一起，形成一个超饱和中子态的固体球。简单地说，现在的太阳中心隐藏着一颗“类中子星”。这里说“类中子星”是有些过了，但所有的恒星内部都会存在着这样的固体球，因为恒星核心部位的物理环境还不能致使稳定元素产生裂变。正由于这颗类中子星发出具大而且较稳定的脉冲现象，才得以控制太阳热核反应的稳定进展（注：脉冲现象是由核心球体超密度，力求向外膨胀与外部物质重量挤压的动力学机制产生的）。因此，太阳的热核反应不是在太阳中心，而是在太阳中心的固体球的表面附近。而且这个热核反应面会不断地向太阳球面提升，当太阳外部堆积的物质重量不足以抑制热核反应所产生的辐射压力时，就会导致太阳的爆炸。

我们太阳系中所包含的重元素物质相对太阳系的总质量来说，实在是太多了。如果我们把现有太阳系的物质，以线性回朔至原始星云，就会发现这块星云包含重元素的丰度要比宇宙中的普通星云包含重元素的丰度大上千百倍。可见，这些稳定的重元素不是由原始星云直接带来的，而是太阳在形成过程中的某一个环节中产生的。气尘球在聚集过程中把部分压缩热向周围传递，这样就导致气尘球中心产生高温和超高压的物理环境。在这个特殊的环境中，氢核被迫聚结在一起，形成重元素的原子核。尽管元素的化学性质产生了变化，但其合成过程中却有点儿类似于物理过程，而且合成的重元素全部都是放射性元素。可以说，我们太阳系中所有的重元素除了极少部分是由原星云直接带来之外，其余绝大部分稳定的重元素物质都是放射性元素衰变的产物。星云聚集成恒星速度的快慢，决定了该恒星系重元素物质的含量。从星云的开始聚集到恒星的诞生，时间用的越短，合成的重元素越少，反之则越多。

在冥王星轨道外，是否存在着象九大行星一样的大星球，确实很难推断。因为太阳诞生时，把富含重元素的气尘物质抛出球面，掠过气尘盘的气尘物质不可能全部汇聚于冥王星的轨道上。相信有很多的气尘物质跑到距太阳很远的地方或太阳系的边界处。这些气尘物质大部分成为彗星的彗核，但是否会凝聚成一颗或几颗大星球，确实难于预料。如果有幸能够聚集成大星球，那么，它将是一颗很有趣的“乒乓球组合体”（注：它的公转轨道面与黄道面也应该有着较大的夹角）。甚至有可能形成象类木行星带有多个卫星的系统。如果存在这样的星球，那么它对同轨道面附近的长周期彗星应该具有摄动作用，使彗星的轨道周期产生变化。一般长周期彗星在太阳诞生后不久就会产生。太阳诞生时，强大的太阳风把一些气尘物质吹到太阳系的边界处，这些气尘物质很快就会冷却下来，通过碰撞合并形成小团块。这种小团块的运动，具有任意不同的取向，它们的相互碰撞会使一些小团块突入太阳系中心，形成彗星或掉到太阳上去，有的会跑出太阳系，而有的小团块碰撞力度不大，就会合并成大的团块，进一步聚集形成星胚。当其质量增大到某一个量级时，就会对其周围的空间物质产生清扫活动，，使其体积不断增大，形成大星球。这种星球会永远呆在太阳系的边界处，或者说，它的近日点距离太阳很遥远。因为小球对它的轰炸已不足以撼动它的运行轨道。就像苏梅克彗星对木星的轰炸，不会改变它的运行轨道一样。这种星球距离太阳非常遥远，反射太阳光极其微弱，我们对星空的拍照很难发现到它。如果这种星球的质量很大，其核心的产能机制有足够大，促使星体对外产生红外线辐射，我们通过对星空红外线扫描，或许有可能发现到它的存在。

（说明：这篇文章2016年3月发表于自然科学>(文摘版)

作者：林友顺