太阳系怎么起源的?
太阳系是在银河系的区域运动中起源的。谈及我们所处的地球,这是宇宙中,毋庸置疑的“文明摇篮”。我们都知道,地球上的各种生态环境,简直得天独厚适合文明的生长,时至今日,NASA的科研人员,也只发现了六颗“类地行星”而已。
但是,很多人缺乏了解的是,太阳系这个空间,其实比“地球”更加少见。至少,我们道现在为止还没有发现任何和“太阳系”有着高度相似的小型星系。
如此珍贵的太阳系,它又是从何而来的呢?这还要追溯到宇宙大爆炸之后八十亿年。我们都知道,现有的宇宙,起源于“史瓦西奇点”受到外界刺激的大爆炸;爆炸之后,宇宙空间内经过了三十亿年的发展,逐渐出现了各种大型星系,星云,天体;
而银河系,就诞生在这个时期。银河系一共直径二十万光年左右,经过了四五十亿年的演变,在远离银河系的内核部分,也就是“银心黑洞”十五万光年左右的位置,太阳系开始出现雏形。
起初,太阳系所在的区域,充斥着各种原子核,电子,和离子;是这些元素,在银河系的引力系统影响下,逐渐的结合,才有了“太阳”这颗黄矮星的诞生。随后,八大行星逐渐成型;
值得一提的是,当时在水星,也就是太阳的宜居带附近,其实存在着至少四十多个如同地球一样的“类地行星”。它们之所以都在历史长河中湮灭,还要归咎于“木星”这个不速之客。
木星并不是太阳系土生土长的行星,而是从外部闯入,最终被太阳的引力系统同化的行星。在它到来之际,碾碎了那几十颗类地行星;因此,太阳系才成了如今的样子。这件事,大概发生在距今三十亿年之前。
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因为太阳同人类的关系太密切了,所以两个多世纪以来,许多杰出的思想家都探讨过太阳系的起源。关于太阳系的起源问题,200年来因为没有一种权威说法,因此人们提出了一种又一种假说,累计起来,已经有40种之多,但其中影响比较大的,主要有以下几种观点。
灾变学说:这个学说的首创者是法国的布封。20世纪前50年,又有一些人相继提出太阳系起源于灾变。这个学说认为太阳是先形成的。在一个偶然的机会中,一颗恒星(或彗星)从太阳附近经过(或撞到太阳上),它把太阳上的物质吸引出(或撞出)一部分。这部分物质后来就形成了行星。根据这个学说,行星物质和太阳物质应源于一体。它们有“血缘”关系,或者说太阳和行星是母子关系。他们都把太阳系起源归结为一次偶然撞击事件,而不是从演化的必然规律去进行客观的探讨,因为银河系中行星系是比较普遍的,太阳系绝不应是惟一的行星系,只有从演化的角度去探求才有普遍意义。就撞击来说,小天体如果撞击到太阳上,它的质量太小,不可能把太阳上的物质撞出来,小天体必被太阳吞噬掉。1994年彗星撞击木星就是极鲜明的例证。21块蓄核对木星发起连续的攻击,在木星表面仅引起小小一点涟漪,消化掉的是彗星。如果说恒星与太阳相撞,这种几率就更小了。因此,曾提出灾变学说的一些人,后来也自动放弃了原有的观点。
星云说:这种观点首先由德国伟大哲学家康德提出来,几十年以后,法国著名数学家拉普拉斯又独立提出了这一问题。他们认为,整个太阳系的物质都是由同一个原始星云形成的,星云的中心部分形成了太阳,星云的外围部分形成了行星。然而康德和拉普拉斯也有着明显差别,康德认为太阳系是由冷的尘埃星云的进化性演变,先形成太阳,后形成行星。拉普拉斯则相反,认为原始星云是气态的,且十分灼热,因其迅速旋转,先分离成圆环,圆环凝聚后形成行星,太阳的形成要比行星晚些。尽管他们之间有这样大的差别,但是他们大前提是一致的,因此人们便把他们捏在一起,称“康德——拉普拉斯假说”。
俘获学说:这个学说认为太阳在星际空间运动中,遇到了一团星际物质。太阳靠自己的引力把这团星际物质捕获了。后来,这些物质在太阳引力作用下加速运动。类似在雪地里滚雪球一样,由小变大,逐渐形成了行星。根据这个学说,太阳也是先形成的。但是,行星物质不是从太阳上分出来的,而是太阳捕获来的。它们与太阳物质没有“血缘”关系,只是“收养”关系。
尽管各种假说都有充分的观测,计算和理论根据,也都有致命的不足,所以一直也没有一种被普遍接受的假说。太阳系在等待着新的假说。
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关于太阳系的成因,依据绕太阳运动的天体形成位置,主要有两种理论:系内成因理论、系外成因理论。
系内成因理论认为:绕太阳运动的行星等天体是在太阳系内形成的。传统理论属于这种理论,包括:星云说、灾变说、捕获说。
系内成因说难以解释:金星自转逆行,哈雷彗星公转反向,地球倾斜在轨道运动,天王星躺在轨道运动,木星土星的卫星的公转有的顺行,有的逆行,等,这些太阳系现象。
系外成因理论是我国学者江发世提出来的。江氏观点:绕太阳运动的行星等天体是在太阳系外的宇宙空间形成的,当这些天体运动到太阳附近是被太阳捕获,产生公转与自转,成为绕太阳运动的天体。
江发世太阳系成因理论(节选)
太阳系是由行星、彗星等天体绕中心星球太阳所组成的绕转运动组合体。
在太阳系中有系中系,如行星和卫星所组成的行星系,卫星和绕其转动的子卫星所组成的卫星系,等等。太阳系是一个年老的、规则的、中心式的椭圆星系。
太阳系的一些特征:
(1)、 星球轨道形状特征
绕太阳公转的星球轨道形状为:近圆形、椭圆形、抛物线形和双曲线形。在太阳系中,水星、金星、地球、火星等,它们的绕太阳公转轨道形状为近圆形,而外围的其它行星公转轨道为椭圆形。太阳系的彗星公转轨道为椭圆形、抛物线形和双曲线形,图1-5是太阳系模式图,图1-6是彗星轨道图。
图1-5 太阳系模式图
图1-6 彗星轨道图
(2)、 星球公转方向特征
绕太阳公转的星球,九颗行星都为逆时针方向公转,而有些彗星如哈雷彗星为顺时针方向绕太阳公转。
(3)、星球自转方向特征
太阳系的金星自转方向为顺时针,它的自转与它的公转方向相反。而其它八颗行星都为逆时针方向自转并同公转方向相同。
(4)、星球分布特征
太阳系的九颗行星公转轨道面都在太阳赤阳面两侧附近,而彗星的公转轨道面从太阳两极到太阳赤道各纬度都有分布。图1-7是彗星轨道倾角即在太阳周围不同纬度的分布图。
图1-7 彗星在太阳周围分布图
(5)、星球运动姿势特征
地球是倾斜在轨道上自转,天王星是躺着在轨道上自转,其它几颗星球为直立或倾斜在轨道上自转。
(6)、太阳系内星系特征
由彗星和行星绕太阳旋转所形成的太阳系的上述五个特征,对于由卫星绕行星旋转所形成的行星系来说基本相同。
1.3. 模拟试验
一个太阳系成因理论或叫假说不仅能解释太阳系的特征,而且也能解释行星系和其它星系的特征。
为了研究太阳系的成因和解释太阳系的特征,用一块磁铁和一个小铁球,做以下试验:
1.3.1. 试验一
小铁球用线吊起来挂在空中不动,将用线吊着的磁铁块和小铁球在一个水平面上,磁铁块在小铁球的西面,由北向南运动,如图1-8。
图1-8 磁铁快从铁球西侧运动示意图
试验结果如下(见图1-9):
当两者相距适当的运动距离,如果磁铁块运动速度慢,在靠近小铁球时,小铁球就被磁铁块吸了去(图1-9A);当磁铁块以适当的速度运行时,小铁球就会沿着一个近圆形轨迹绕磁铁块转动(图1-9B);当磁铁块以较快的速度从小铁球一侧通过时,小铁球就是一个抛物线弧形或双曲线弧形从磁铁块一侧运动过去(图1-9C)。同时小铁球也产生如图E方向的自传。
图 1-9 试验一结果示意图
1.3.2.试验二
如同试验一,不同的是:让磁铁块在小铁球的东侧由南向北运动,如图1-10。
图1-10 磁铁快从铁球东侧运动示意图
试验结果如下:
公转和自传方向就完全反向了。
1.3.3.试验三
如同试验一,不同的是,让小铁球沿F方向自传,然后磁铁块在小铁球西侧由北向南运动,如图1-11。
图 1-11 试验三模拟试验结果示意图
试验结果如下:
小铁球仍然沿F方向转动,只是自传速度变慢了。
1.4. 太阳系起源
太阳从宇宙中捕获行星、彗星产生绕转运动组合体,形成太阳系。
1.4.1 绕太阳公转轨道形状的成因
太阳系成员的轨道形状由进入太阳系时的相对速度和相对距离等因素决定。太阳所捕获的行星或彗星其运动速度小了,就“掉”进太阳了;速度正好,其轨道形状为近圆形;其速度大一点,轨道形状为椭圆形;如果速度再大一点,其轨道形状就成为抛物线形或双曲线形。
1.4.2 太阳各纬度都有星球分布的成因
独立在宇宙中运行的天体,它可以从各个方向和各种角度飞近太阳的身边,这些天体能够从太阳两极处和各纬度及赤道被太阳捕获而成为太阳系的成员。因此在太阳赤道面附近和极处及各纬度都有星球分布。
1.4.3 行星集中在太阳赤道附近的成因
太阳是一个巨大的引力球,这个引力球是绕轴自转的,自转就会产生离心力。离心力在球的极处最小,在近赤道处离心力大。所以太阳系年龄老的行星在太阳自转离心力场的作用下集中到太阳赤道面附近。
地质力学创始人李四光做了球体离心试验,试验如下:
图1-15是地质力学的模拟实验:在直径20厘米的泡沫塑料球体上,涂16层聚醋酸乙烯乳液,构成厚约3毫米的薄膜,经电动机旋转加力(500转/分),在近球体赤道附近,于试料上形成一系列近东西向的褶曲。地质力学所作的上述模拟试验完全证明,所有旋转球体都会产生自两极向赤道方向的离心力,其表面物质也将在离心力作用下产生变化。
图1-15 地质力学的模拟试验
1.4.4 星球直立、倾斜和躺在轨道运行的成因
在太阳系中,在轨道上直立自转的行星,它们就是在太阳赤道面被太阳捕获的。倾斜在轨道上自转的行星,是在太阳相应的纬度处被太阳捕获的,后来在太阳离心力场的作用下运行到了现在的位置。横躺在轨道上自转的天王星,是在太阳极处被太阳捕获的,以后在太阳引力场的离心力作用下来到了太阳赤道面附近。
1.4.5 星球公转反向(如哈雷彗星)的成因
同向公轨的太阳系天体,它们是在同一侧被太阳捕获的。公转反向运行的天体,是在太阳的另一侧被太阳捕获的。
1.4.6 星球自转反向的成因
自转反向的金星,说明它在被太阳捕获之前就已是顺时针方向自转着的。当它被太阳捕获时,所产生的潮汐扭动力小于原来已有的自转力。所以金星仍然保存原来的自转方向,只不过是自转速度已变的特别慢,自转周期特长。
1.4.7 行星系的成因
行星周围的卫星形成过程同太阳系。而且在卫星的周围可能存在子卫星和孙卫星,小行星和彗星的周围都可以有卫星,都可以形成绕转运动组合体即星系,它们的成因和太阳系的成因一样。
在宇宙中,所有星系的成因是相同的。
1.5. 太阳系成因假说简介
将一些有代表性的太阳系成因理论或假说简介如下。
1.5.1. 布封学说
法国动物学家布封在1745年提出:曾经有一个大彗星碰到了太阳,使太阳转动起来。碰出来的一些物质形成了行星和次一级的卫星,并使之绕中心天体转动起来。这个学说叫做彗星碰撞学说。
1.5.2. 张伯伦学说
美国地质学家张伯伦在1900年提出:曾经有一个恒星走到离太阳很近的地方,由于潮汐力的作用,在太阳两面形成巨大的潮,就象我们现在所见到的日珥。在这两个巨大的潮中有气体、液体和固体。固体聚集成块叫做星子,由这些星子发展成为行星等绕太阳转动的天体。这个学说也叫做星子学说。
1.5.3. 谢伊学说
美国天文学家谢伊于1910年提出:有两个星云相碰,在碰撞后的星云中形成了太阳,其它物质形成行星。也叫星云碰撞学说。
1.5.4. 阿亨尼学说
瑞典化学家阿亨尼于1908年提出:有两个恒星沿着一个角度侧面相撞,使这两个恒星变为一个恒星,由于侧向相撞所以产生了转动。相撞后所飞出的物质形成行星等天体。这个学说也叫侧撞恒星合拼学说。
1.5.5. 毕克顿学说
西新兰科学家毕克顿于1881年提出:一个恒星接近太阳时,潮汐作用,使太阳和另颗恒星都发生变形,在两者中间分出呈卵形的物体,这些物体成为绕太阳转动的行星。用该学者自己的形象说法,两个相接近的恒星潮汐力所拉出的物体就象宇宙中的火花。有人将该学说称为宇宙火花学说。
1.5.6. 罗素学说
美国天文学家罗素于1935年提出:太阳曾经是一对双星,后来有一颗恒星走近将其中一颗子星拉走,被拉走时留下了一长条物质,这些物质后来形成了行星。这个学说也叫双星学说。
1.5.7. 魏扎克学说
德国天文学家魏扎克于1944年提出:太阳形成后被一个气体尘埃云包围着,这个云由于旋转而变扁,形成了星云盘,后来星云盘形成行星。这个学说可以叫做太阳进入星云学说。
1.5.8. 费森柯夫学说
前苏联天文学家费森柯夫于1919年提出:形成行星的物质全部是从太阳上抛射出来的,由于原来的太阳质量大、含氢量高,自转速度快而且不稳定,因此抛射出形成行星的物质。这个学说叫做太阳自身抛射学说。
1.5.9. 伯克兰学说
挪威科学家伯克兰于1912年指出:电磁力在太阳系形成过程中起到重要作用。太阳从一开始就有磁场,太阳抛射出的离子,沿着磁力线在螺旋轨道上向外运动,停留在一些圆上,圆的半径决定了电子电荷和离子质量的比率,这样就形成了一系列的球,不同的球由不同的离子组成。这个球的物质后来集聚形成一个行星。这个学说叫做离子集聚学说。
1.5.10. 麦克雷学说
英国天文学家麦克雷于1960年提出:形成太阳系的大星云首先破裂为许多小星云,这些小星云具有随机的运动和转动速度及方向。小星云常常相互碰撞,绝大部分结合起来形成了太阳,另外一部分小星云形成了行星。这个学说可以叫做原云先碎后聚学说。
1.5.11. 瓦尔科维奇学说
罗马尼亚物理学家瓦尔科维奇于1964年提出:太阳系内的类地行星是同太阳星云外围部分或由太阳抛射出的物质形成的,而类木行星是太阳在星际空间运行时,从遇到的星际云中所俘获的物质形成的。这个学说叫做异源分步形成学说。
1.5.12. 布郎学说
美国物理学家布郎于1971年提出:在过去有一个质量是太阳50-100倍大的超新星爆发时,抛射物中的一个碎块形成了今天的太阳系。该学说叫做超新星爆发碎块成因学说。
1.5.13. 米特拉学说
印度天文学家米特拉于1975年提出:太阳系是以星团方式集体产生的。在宇宙中有一个很大的星际云由于自吸引出现湍流,进而形成一个星团,这个星团逐渐互相散开,原太阳是其中一个初始角动量几乎为零的成员星。以后,原太阳在绕银心转动的过程中,不断吸积那些与其自己轨道相似的颗粒,逐渐形成一个围绕太阳的球形包层,进而演化为星云盘,并且由于它的角动量传给了原太阳而使太阳自转起来。这个学说可以叫做星团散开形成太阳学说。
1.5.14. 康德和拉普拉斯学说
康德是德国哲学家,生于1724年,死于1804年。拉普拉斯是法国数学家和物理力学家。生于1749年,死于1827年。这两位太阳系星云学说创始人在互相不知道的情况下,分别发表了内容大体相同的太阳系起源学说即星云学说。
太阳系起源星云学说为大多数天文学家认可。从十八世纪到现在虽然已经过去了二百多年,在这期间有许多科学家提出过有关太阳系起源的星云学说,尽管这些学说在某些方面和某些形成机制上都有自己的见解,但总的宗旨没有离开康德――拉普拉斯星云学说。
太阳系起源星云学说宗旨就是一句话:太阳系是从一个星云中形成的。在这个星云中有气体、有尘埃、有冰块、有大大小小的固体物质。在万有引力作用下物质相互吸引,星云体积在缩小。在这个星云的中心形成了太阳。由于星云原始存在转动,在体积缩小时,因为角动量守恒,星云转动加快,变成扁球状。扁平面上的星云继续收缩形成了现在的共面同方向转动的行星。