我們在看太陽系的圖片時,會在火星和木星之間發現一塊條帶狀分布的小行星密集區域,它就像一片薄薄的圓盤圍繞著太陽運行,而這條小行星帶中的小天體數量眾多,在引力幹擾和相互碰撞的情況下,有一部分小行星會脫離原有軌道向太陽系內側移動,其中就有可能接近地球的公轉軌道,甚至直接衝向地球,成為影響地球安全的最大潛在因素之一。那麼,這些小行星帶是如何形成的呢?
小行星帶的基本情況
通過目前的觀測和判斷,小行星帶的星體數量至少有50萬顆,而已經監測備案的數量達到近20萬顆。從目前情況看,我們在小行星帶中,已經發現的最大天體為穀神星,其直徑約為950公裡,其它體積比較大的還有智神星(直徑540公裡)、婚神星(直徑240公裡)、灶神星(直徑480公裡),其餘的小行星體積就比較小了,絕大部分的天體都是非常小的巖石甚至塵粒物質。
從監測情況看,小行星帶從距離太陽2.17個天文單位開始,一直延伸到3.64個天文單位,處於火星和木星軌道之間,總寬度約為2.2億公裡。從空間分布的密度來看,在小行星帶中,每個星體之間的平均距離要有上百萬公裡之遠,因此,我們在圖片中看到的小行星帶,與實際狀態差異很大,其中的空間仍然是非常空曠的,即使探測器從中穿過,也不用怎麼擔心被小行星撞擊的風險。
行星爆炸說
1766年,德國的一位中學老師提丟斯發表了一篇文章,提出了一個神奇的數列,即提丟斯數列:L=(n+4)/10,如果將n=0,3,6,12等等這些規律性的倍數代入,能夠比較準確地得到太陽與各大行星之間的實際距離,當然結果值的單位為天文單位。比如水星距離太陽0.4個天文單位、水星距離太陽0.7個天文單位、地球距離太陽1個天文單位,等等。當時並未發現火星和木星之間的小行星帶,也未發現天王星。後來,德國天文學家波得在此基礎上,又進一步優化並提出了相應的關係式:L=0.4+0.3*2^(n-2),對應各大行星n的取值分別為負無窮大、2、3、4、5……,與最後科學家們監測的行星與太陽的距離進一步接近,而當天王星發現以後,通過測算它與太陽的距離,與波得提出公式中n值為8比較完美地契合,因此這個關係表達式名聲大燥,這個規律也被稱為「提丟斯-波得」定則。
不過,這裡發現一個問題,那就是在提丟斯數列中,火星對應的n取值為12、木星對應的n取值為48,中間缺少了一個n值24;同樣,在波得數量中,火星的n取值為4、木星的n取值為6,中間同樣缺少了一個n值5,因此有科學家推測在火星和木星之間原本應該存在著一顆行星。只不過後來由於某種原因發生了爆炸,碎裂為無數很小的巖石體和塵埃物質,逐漸飄散在原來的軌道範圍之內。
但是,在一個行星軌道內,行星要發生劇烈爆炸,要完全突破自身的比結合能,所需要的能量是異常巨大的,即使像月球起源說那樣,一顆大質量的行星與地球相撞,也沒有將地球粉碎,反而是大部分聚合在了一起,拋灑出去的其餘物質在引力作用下逐漸聚合成月球。因此,這種假說不能很好地即使行星爆炸的原因,也無法解釋即使大質量行星相互撞擊,之後破碎的物質為何沒有在引力作用下再進一步聚集的問題。
行星半成品說
在科學家們研究恆星系統形成和演化規律時,逐漸意識到小行星帶的形成,與各大行星的起點是幾乎相同的,那就是都是通過吸聚星雲物質而緩慢積聚,不斷壯大自身質量,只不過小行星帶特殊的空間區位,使得沒有延續行星形成的後半程階段的發展趨勢,而只是形成了一個「半成品」。
我們所在的太陽系所在空間區域,原先存在著一顆大質量的恆星,在其生命尾聲時發生了大規模的超新星爆發,從而將巨量的物質拋灑在這一區域。從距今50億年開始,這些星雲物質開始在引力擾動的影響下逐漸發生聚集,形成了若干質量相對集中的核心區,其中太陽所在的位置,原始核心所吸聚的物質最多,周邊眾多星際物質逐漸在重力作用下發生坍縮,核心溫度逐步提高,最終突破了氫原子核聚變的溫度形成原始太陽。而沒有被吸聚的物質,在原有若干質量相對集中的核心引力作用以及太陽風吹拂下,逐步發展為行星。那些數量眾多的輕質量物質被吹到距離太陽較遠的位置形成氣態行星,而只留下質量較大的物質逐步聚合為固態行星。
原本在木星和火星之間是應該可以聚合形成一顆行星的,只不過由於木星吸聚氣態等輕質量物質具有得天獨厚的優勢,那就是剛好處於固態行星和氣態行星的交界點,它是第一道關口,因此質量增長得很快,在其巨大引力作用下,木星和火星之間發生了一定程度的軌道共振,使得處於它們之間區域的星際物質,所受到的外界引力作用幹擾,遠大於星際物質之間的引力作用,所以進一步聚合的條件受到了極大地限制,一方面無法聚集更多的星際物質,另一方面聚合形成稍大一點的星體也會被木星強大的引力所幹擾,部分還會發生相互碰撞,因此最終只留下質量很小的巖石碎片和塵埃等微小物質。
總結一下
從目前科學界的研究結果來看,行星「半成品說」比較有效地解釋小行星帶的形成。之所以這些小行星沒有進一步聚合為一顆行星,主要是「半程發力」的後勁不足,許多物質都被木星所吸聚,同時逐漸強大的木星也以引力幹擾形式、以及和火星之間的軌道共振綜合作用,進一步阻礙了剩餘星際物質的聚合,最後造成了這一區域行星形成的「半途而廢」,只能以巖石碎片和塵埃物質的形式存在於這一空間之內了。