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地球和太陽都漂浮在宇宙空間中,而且地球正繞著太陽公轉,從誕生以來地球大概已經轉了45億圈!當然這是天體運行給大家的印象,因為宇宙中都失重,所以「漂浮」一說都能說得清,但轉動是怎麼來的?真是上帝推了它一把?
太陽系怎麼形成的?
其實這個問題要從恆星系形成開始說起,因為無論是地球的公轉還是自轉,又或者太陽的自轉運動都和這個過程形成有關!
星雲與坍縮早在18世紀拉普拉斯和康德以及死威登堡就提出太陽系誕生於星雲,其實這非常正確,絕大部分的天體都誕生於星雲,只是它們可能處在不同的發展階段!誕生太陽系的這片星雲位於銀河系的獵戶座懸臂,古爾德袋中的本地泡裡的本星際雲,其中的奧爾特雲中誕生了太陽系!
只要有一具小型望遠鏡,那麼我們就可以看到很多星雲,比如獵戶座著名的星雲M42,在它的內部正在誕生難以計數的恆星,但卻不是每一片星雲都能誕生恆星它需要幾個條件,在滿足這些條件的情況下,它們才有可能誕生出恆星系。
星雲質量滿足要求與之相關的一個名詞是伯納-依伯特質量,這是天體物理中一個加壓的介質嵌入一個等溫氣體球時,仍然可以維持流體靜力平衡的最大質量,當氣體雲的質量大於伯納-依伯特質量時,將會無可避免的發生坍縮以形成更小和更密度更高的天體。
有兩種情況可以促成這個條件,受到擾動範圍長度滿足條件,或者受到擾動區域的密度滿足條件,都可以引發最終的坍縮,這是一個天體形成所必須經歷的過程,包括第一顆恆星也一樣。
形成博克球狀體這是星雲開始坍縮後形成高密度坍縮區域,一個博克球狀體的典型質量為10-50個太陽質量大小,內部大都是請分子雲,也有氦以及其他超新星爆發後的其他金屬物質(原初星雲則不存在超新星爆發後的金屬物質),博克球狀體中形成的可能並不止一顆恆星,有可能會形成聯星或者聚星系統。
哈勃空間望遠鏡的WFPC2拍攝的在電離氫區IC 2944內的博克球狀體。
博克球狀體是1940年代天文學家巴特·博克首先發現的,這些正在經歷坍縮的區域很像一個繭,由於還未發光,它們僅僅在紅外波段可能會比較明亮,而可見光則難以發現!
形成原始坍縮的角動量一旦開始坍縮,那麼星雲物質就會受到坍縮區域影響而運動,在質心的影響下,物質會沿著測地線運動,根據所在位置與動量的差異,這測地線的運動方式有兩個,一是掉入質心,二是繞N圈後掉入質心,或者動量足夠,成為環繞質心的物質。
坍縮過程中形成的螺旋運動,其實並非物質所願,而只是物質沿著測地線運動而已,無論是否願意,在引力彎曲空間內的運動方式只有測地線唯一一條路,除非它是一顆量子化的電子,可以不遵守這個規律,但包含電子對原子依然遵守。
坍縮核心形成恆星其實從坍縮核心到原恆星有很長的一條路要走,本文限於篇幅就不嘰嘰歪歪了。坍縮的角動量會讓星雲扁平化(這就是吸積盤的來歷),這為日後的行星形成也打下了基礎,因為扁平化的星雲密度更高,內部物質碰撞,融合形成行星胚子,它會在環繞中心坍縮核心的公轉過程中繼續長大。
正在形成中的原行星盤
與恆星核形成條件類似,行星核也會經歷一個物質坍縮過程的測地線運動,這是天體坍縮過程中的必經之路中心的恆星核在成長,行星核也在成長,太陽系形成過程中先後順序也類似,但我們可以猜測是大行星先誕生,因為它有更多的時間成長麼。
原恆星形成初期,會在外部形成一個不透明的外殼,因為都是星雲的實體物質,但隨著物質落入吸積盤中,恆星逐漸開始發光,早期的原恆星非常明亮,因為有很大一部分能量來自引力坍縮(可能高達太陽的100倍),恆星內核的核聚變高溫逐漸整顆恆星形成一個超級等離子球體,最終會又引力坍縮能釋放到核聚變能量釋放的轉換過程。
年輕恆星HD 141943和HD 191089的巖屑盤(2014年4月24日)
原恆星的吸積盤中形成行星有兩種機制,分別是引力不穩定性如前文所說,還有是衝流不穩定性,局部物質密度過高,其實和恆星形成機制有些類似,但又不一樣,但無論如何,行星也在坍縮中形成了!
所以第一圈還輪不到地球,因為在形成地球的前身中就已經繞了N圈了,整一個坍縮過程中,無論是天體的自轉還是公轉都形成了,不管上帝是否有推了最初的那一把,到現在為止,已經轉了數十億年。
如何描述宇宙中的漂浮的天體
用漂浮來形容是不正確的,因為只有在重力條件下才存在漂浮這個概念,無論是水中還是空氣中!那麼如何來描述宇宙中的各個天體狀態呢?
運動是對它們的唯一描述!上文說了星雲坍縮過程中的測地線運動,有兩個結果,一個是繞著繞著掉下去了,另一個繞著繞著成了公轉天體,這是因為測地線運動的角動量產生的向心力與質心之間的引力平衡,兩者處在一個恐怖平衡狀態,如果天體速度高一點,那麼它會逐漸抬升軌道,如果速度第一點,那麼它會更靠近恆星!簡單的說就有可能掉入恆星!
那麼地球有可能掉入太陽嗎?答案是不會,因為太陽正在減少質量(每秒燒掉6.5億噸氫,產生450萬噸質量虧損),所以地球會逐漸逃離太陽,但要注意下的是這個逃離速度很慢,聽說每年都不超過1釐米,而且未來會有一個上限!因為太陽在50億年後成為一顆白矮星時,它的質量將不會再改變,所以地球的逃逸距離是有限度的。無論怎麼樣,跟著太陽混那就混到死,地球沒有逃離機會。
左上紅圈是巨引源所在
太陽也沒有漂浮在宇宙中,它正以每秒220千米的速度環繞銀心公轉,如果太陽失掉這個速度,那麼它也會掉入銀心黑洞!而銀河系則以每秒超過600千米的速度朝著巨引源前進,不過它永遠都掉不到巨引源裡,因為巨引源遠在2.5億光年外,這個距離上宇宙的膨脹速度高達4400千米/秒,銀河系永遠都追不上!