石球和氣球是我們對太陽系行星的形象稱呼,其實它們分別代表的是固態行星和氣態行星。之所以會有固態和氣態的區別,直接的原因就是距離太陽的不同距離所致,它們的形成歷史與太陽系早期的狀況和發展演化過程密不可分。
星雲物質
星雲是宇宙間除了恆星和行星外,最常見的一種天體物質組成形態,如果從相關的宇宙照片可以看出,它們的形狀千變萬化,虛無縹緲,組成了一幅幅美觀而又優美的宇宙背景畫面。從組成來看,星雲是由大量的星際塵埃、氫氣、氦氣和其它一些電離氣體構成,也就是其中充滿著微小的固態物質和輕氣體。雖然看上去「濃煙滾滾」,實質上這些星雲物質的含量比較稀薄,密度非常低,我們之所以能夠看到它們,一方面是在非常大的空間尺度上去觀察;另一方面是在星雲物質之外的物質濃度更低,在恆星光線作為背景下,比較容易看到它們與周圍更加空洞的空間的反差。
關於星雲物質的來源,目前天文界比較主流的觀點認為,它們的來源包括三個方面:
一是宇宙大爆炸釋放出的大量星際物質構成了星雲主要物質來源。當宇宙大爆炸發生之後,從中釋放的原生物質,如氫核和氦核則在宇宙中均勻分布,由於它們之間的引力非常微弱,還遠遠不能克服宇宙向外擴散的膨脹壓力和輻射壓,無法匯聚在一起,但是奠定了所有宇宙所有星體和物質形成的基礎,包括星雲。
二是宇宙的逐漸冷卻使星雲物質慢慢聚集。宇宙中由大爆炸之後一段時間內的背景輻射是以高能輻射為主,隨著宇宙空間在大爆炸能量的推動下逐漸膨脹以後,整體溫度也在不斷下降,這種高能輻射就會逐漸變為微波背景輻射。氫核和氦核在此情況下,擁有了相應的原子,之間的引力也慢慢地超過膨脹壓力和輻射壓,在原子相互引力的作用下開始形成許多物質密度較高的區域,原始星雲因此而產生。
三是在恆星的發展演化過程中不斷積累形成的。恆星在生命周期的晚期,都會在輻射壓的作用下發生膨脹,然後又在內核引力作用下發生塌縮,在塌縮過程中,有一些外圍物質會繼續向外膨脹,形成氣殼,構成了恆星周邊區域的星雲物質。當恆星相繼經歷白矮星、黑矮星直至消失之後,這些星雲物質被保留了下來。
太陽的形成
太陽是宇宙中再普通不過的一類恆星了,但是它的形成和演化過程與其它恒生的產生卻是基本一致的,離不開上述星雲物質的孕育。在太陽還沒有形成之前,其所在的空間區域內,分布著眾多由氣體和星際塵埃所組成的星雲物質,這些星雲物質的濃度相對較高。據科學家們推測,這些較為濃密的星雲物質,有很大的可能是在此處的「上一任」恆星生命結束之時殘留下來的,恆星的殘骸以及最後噴射出來的物質,加上此前在恆星引力作用下圍繞著恆星運轉的眾多氣體和微小顆粒共同組成這塊「生命的搖籃」。
這些濃密的星雲物質,在50多億年受到外界恆星引力波動的影響下(科學家們推測受到較近區域超新星爆發的影響面較大),組成物質之間開始進行著持續不斷地碰撞,使得某些區域的星際物質濃度變得更大,於是形成了質量相對較大的若干核心區域,其中在太陽所在位置,這個區域的空間大小和互相碰撞聚合的物質規模非常大,然後在萬有引力和動量守恆定律的支配下,周圍更多的氣體物質和星際塵埃一部分被吸入這個核心區域,中心質量越來越大,一部分圍繞著這個核運轉,隨時在中心質量增大的過程中,被持續吸進中心區域,在此過程中,不斷的碰撞使得核心的溫度緩慢升高,形成了太陽的「胚胎」。
當太陽「胚胎」核心區域的溫度上升到1000萬攝氏度時,便會激發其中組成物質氫的核聚變反應,兩個氫原子中的四個質子和中子聚合成一個氦原子,同時釋放兩個正電子,在此過程中,由於質量發生了一定程度的虧損,從而釋放出大量的能量,真正意義上的恆星就此誕生,為整個恆星系注入了源源不斷的能量來源。
行星的形成
在太陽形成的同時,其周圍一定範圍之內的區域,其實也在進行著和太陽形成早期一樣的星雲物質聚合過程,在太陽系內,應該是形成了眾多那樣的「核心區域」,都有著較大的質量,都有著許多星際物質圍繞其運行的情況。只不過太陽那個核心區域太大了,所吸引的星雲物質佔據了極大的比重,相對來說,其它區域的「核心區域」規模就小很多。
雖然這些核心區域規模較小,但也持續不斷地發生著星際物質的碰撞和聚合的過程,中心溫度也越來越高,而且一些核心區域也在引力的作用下進行著「零存整取」,互相之間也有機率相互碰撞和整合,於是逐漸在太陽這個絕對核心的周圍,形成了若干個規模相對較大的核心區域,在引基礎上產生了溫度很高、密度很大的固態行星體,這些固態行星又慢慢演化為各個行星的固態內核。
之所以會最後形成不同類型的行星,原因在於固態內核形成之後,依靠萬有引力所吸引周圍星際物質的不同所致。剛才提到了,雖然太陽形成的時候,其核心規模很大,所吸引區域星雲物質的佔比極大,但是在太陽系這一大片區域之內,仍然有一些星雲物質沒有被其引力所捕獲,而是圍繞著太陽作周期性的運轉,這些星雲物質成為了其它行星形成以及壯大的物質基礎。
太陽誕生以後,由於核聚變反應,向外釋放著大量的光和熱,其中就包含著以大量帶電粒子所組成的高速粒子流,它們以每秒200-800公裡的速度向外輻射運動,這些等離子流被我們形象地稱為「太陽風」。在太陽風的「吹拂」下,氫、氦等質量較輕的氣體被送到距離太陽較遠的地方,於是在太陽系外圍的那些行星固態內核,從星際空間中所捕獲到的物質,後期都是以氣體為主,於是形成了濃厚的大氣層,繼而在巨大氣壓的作用下,下部的氣態物質被壓縮成液態,表面呈現氣態,氣態行星就這樣形成了。而在距離太陽較近的軌道,那些行星的固態內核只能吸引較重的一些元素,逐漸聚合成固態行星。
總結一下
在一個恆星系統中,其行星和恆星基本上是在同一個時間段內形成的。無論是氣態行星還是固態行星,它們的起點相同,但過程不盡一致,氣態行星的形成,依靠的主要是太陽風的力量,將沒有被恆星所吸入的較輕物質中吹到了較遠的軌道,然後再憑藉行星內核萬有引力的努力,將這些較輕的氣體吸到了自己的懷抱,從而不斷發展和壯大自己的力量,這也是為何在一個恆星系統中,氣態行星都是在距離恆星很遠的軌道上形成的根本原因。