太陽系是怎樣構成的呢?為什麼內圈的行星小?外圈的行星大呢?

2020-12-13 天文在線

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任何關於太陽系構成的理論都必須解釋至少以下兩個現象:第一個,除了冥王星以外的所有行星的運行,都在同一個平面(黃道平面);第二個,內圈的四個行星小並且是由巖石構成的,而外圈的四個行星大並且是含氣的。關於這個現象的解釋最合理的一個理論是「偏心盤」模型。

大多數人認為太陽是由於星際氣體雲的坍縮所構成的,最原始的雲可能是現在太陽系的幾千倍大。最初這種雲的運行速度是很慢的(可能有一些雲的運轉速度幾乎就是零),之後,隨著這些雲的坍縮,運轉速度就開始變快了(就像一個溜冰運動員把自己的手臂放到身體的一側後就會旋轉的更快——這個原理被稱為動量矩守恆)。但是以上所述的這種坍縮的過程並不是百分之百高效的,因此有一些物質並沒有形成原太陽,這些運轉的氣體則被遺留下來進入了另一個盤。

除了氣體,這些星際雲也包含有塵土。因此,旋轉圓盤是由塵粒和氣體所構成的。在構成這個盤的過程中或者是在盤的形成之後,這些塵粒開始碰撞並且粘合在一起。起初的粘合物是非常小的,而碰撞的塵粒粘合之後(就是我們所說的「聚積」過程)便開始形成更大的塵粒。這個聚積的過程是持續不斷的並且伴隨著大的塵粒聚積形成小的礫石,小的礫石聚積構成的大的礫石,而這些大的礫石則又構成巖石,巖石構成巨石等這樣一個過程。

起初這樣的一個過程是非常隨意的:兩個塵粒碰撞的條件是只要它們運行的軌道有交叉就行了,但是後來隨著粒子的變大,它們施加了一個更大的引力來吸引更小的粒子來到它們身邊。因此,一旦這個「聚積」開始了,這個過程就會不斷地加速。

這個坍縮過程本身就會產生相當大的熱量,再者,隨著太陽的體型不斷地增大,到了其中某一個程度時,它核心的聚變反應會很好的保持下來。最終的結果便是在這個盤的中間有一個熱源:而盤的內部則比外部暖和。

在盤的內部,只有那些在高溫下仍然可以維持固體狀態的物質可以構成行星,也就是說,這些塵粒是由矽、鐵、鎳等一些物質構成的,因為這些物質能夠互相積聚然後構成巖石。離早期的太陽越遠這個盤的溫度也就越冷,那裡不僅有塵粒而且還有雪花——而那些冰碎片的構成主要是水、甲烷以及氨。在盤的外部,不僅塵粒可以積聚構成巖石,這些雪花也可以積聚構成雪球。

水、甲烷、氨和那些由矽、鐵組成的物質比較起來的話,儲存量還是很豐富的。在太陽系的內部,只有巖石可以維持固體的形態,因此我們推斷內圈都是一些體積較小的行星。而在太陽系的外部,巖石和冰都可以維持固態,因此我們推斷外圈的行星體積都較大。(含氣行星的物質構成不僅僅來自於那些儲存豐富的物質,也來自於那些原材料,只要比較地球和木星的運行軌道大小就可以推斷出來了)。

而對於那些巨大行星的構成,尤其是木星和土星,則需要額外的解釋,最近的猜想認為它們的構成是一個不受控制的過程。它們一開始的積聚是非常緩慢的,並且最初都是由巖石構成的。但是,一旦它們的體積達到地球的10到15倍後,它們的萬有引力就非常的大以至於它們不僅可以吸引周圍的巖石和雪球,還有那些盤裡沒有結成冰的氣體。隨著它們吸引的物質越多,它們的外有引力就開始增大。因此它們吸引的物質越多,它們的萬有引力也就越大,最終的結果就是一個無法控制的積聚過程繼而形成一個非常大的行星。

關於木星構成的設想有一個問題,就是設想中提出的木星構成所需要的時間比這個盤所能生存的時間還要長,傳統的設想認為木星需要幾百萬年才能形成。因此艾倫·博斯(參考雜誌:2000, Astrophysical Journal, vol. 536, p. L101)指出關於木星構成的傳統理論模型是錯誤的,他的研究工作表明巨大的行星也許也可以由盤裡小的不穩定的石塊構成。不同於傳統模型的「自下而上」,他的「自上而下」的理論認為盤裡的某個區域會變得非常不穩定並且倒塌的很快,也許幾百年的時間內便可以形成一個巨大行星。

尋找其他恆星周圍的行星的這個過程的也讓我們獲得了一些其他結果,我們意識到了這個模型並不需要行星一直在同一個軌道運行,就像現在的宇宙一樣。行星之間的相互作用,尤其是巨大行星之間的相互作用,以及盤本身的物質可能會導致「行星遷移」。那些巨大行星在它們的形成過程當中,相對於一開始的位置而言,可能會向外或者向內遷移。

如果行星真的可以在它們的形成過程當中或者形成不久之後發生遷移的話,那麼這就很容易解釋天王星和海王星的存在了。關於以上模型的簡單猜想遇到了一個略微令人尷尬的問題:天王星和海王星的構成所需的時間比太陽系的年齡還要大,但是如果這些行星構成的時候之間的距離都是非常近的,之後再開始向外圈移動,那麼就很容易理解為什麼天王星和海王星現在離太陽的位置是這麼一個距離了。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. Joseph Lazio-此岸,彼岸

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