天文学家和物理学家开始用实际证据来对的太阳、行星和宇宙的形成进行解释。

文章作者:管理一号 | 2019-07-16
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自远古以来,人类一向在探究世界构成的奥妙。可是,尽管在过去几个世纪里现已开端了科学革新,对太阳系构成的解说仍由经验主义理论主导。在16世纪到18世纪这段时间,天文学家和物理学家开端用实践证据来对的太阳、行星和世界的构成进行解说。

关于太阳系的构成,最为广泛承受的观念被称为星云假说。从本质上讲,这一理论以为太阳、行星和太阳系中的一切其他物体都是在数十亿年前由雾状物质构成的。开端这一理论被用来解说太阳系的来历,而后来逐步成为解说一切恒星体系来历的为人所广泛承受的观念。

星云假说

这一理论提出,开端太阳和太阳系中的一切行星都是由气体分子和尘土组成的巨大云团。然后,大约在45.7亿年前发生的一些事导致了云团的塌缩。可能是恒星或超新星的冲击波终究导致了云团中心的引力崩塌。

 

由塌缩开端,很多尘土和气体开端集合到更密布的区域。当更密布的区域吸入越来越多的物质时,因为动量守恒定律它开端旋转,而压力的增强也使它升温。大部分物质终究在中心构成一个球体,而其他的物质被压扁成圆盘,围绕着球体旋转。当中心的球体构成恒星时,其余的物质将组成原行星盘。

行星中的尘土和气体会被招引然后构成更大的天体。金属和硅酸盐的沸点较高,所以它们能以固体形式存在于靠近太阳的地方,终究构成水星、金星、地球和火星等类地行星。而金属元素只占太阳星云很小的一部分,所以类地行星不会很大。

 

相反,那些巨行星(木星、土星、天王星和海王星)构成于火星和木星轨迹之间的点之外,那里温度够低,挥发性的冰冷化合物能保持固态(即霜线)。冰比金属和硅酸盐更丰富,所以巨行星能变得很大,然后可以捕获氢和氦的大气层。而那些没能构成行星的残骸则集合在小行星带、柯伊伯带和奥尔特云等区域。

 

图解:艺术家对前期太阳系的印象:太阳系吸积盘中粒子之间的碰撞导致了行星小行星的构成,并终究构成了行星。来历:NASA/JPL-Caltech。

5000万年间,原恒星中心氢的气压和密度变得很大,足以开端热核聚变。直到达到流体静力平衡,温度、反应速率、压力和密度都在增加。所以,太阳成了主序星。来自太阳的太阳风创造了日光层,并将原行星盘上剩余的气体和尘土扫到星际空间,结束了行星的构成进程。

星云假说的前史

太阳系来历于星云的观念最早是由瑞典科学家和神学家Emanuan Swedenborg在1734年提出的。熟悉他工作的Immanuel Kant进一步开展了这一理论,并在他的Universal Natural History and Theory of the Heavens (1755年)中宣布了这一理论。在这篇论文中,他以为气态云(星云)缓慢旋转,因为重力逐步塌缩和扁平,构成恒星和行星。

Pierre-Simon Laplace在他的论文Exposition du system du monde中提出了一个与之类似但更小更详尽的模型,并于1796年发布了该模型。他提出,开端太阳在整个太阳系中有高温大气,而这个“原恒星云”冷却和收缩。跟着云旋转得越来越快,它抛出了终究凝集成行星的物质。

 

图解:Sh 2-106星云(简称S106),天鹅座中的细密星构成区域。来历:NASA/ESA

拉普拉斯星云模型在19世纪被广泛承受,但它有一些相当显着的问题。首要问题是太阳和行星之间的角动量分布,星云模型无法解说这一点。此外,苏格兰科学家James Clerk Maxwell(1831-1879)断言,环内部和外部之间的不同转速不允许物质凝聚。天文学家David Brewster(1781-1868)也反对这一说法,他说:

“那些相信星云理论的人以为,地球从太阳大气中抛出的环中获得了固体物质和大气,这个环后来收缩成了一个固体的水陆球体,月球也同样被甩出…[在这种观念下]月球必定从地球带走了水和空气,而且必须有大气层。”

到20世纪初,拉普拉斯模型现已失宠,科学家们开端探究新的理论。可是,直到20世纪70年代才呈现了现代为人所广泛承受的星云假说变体——太阳星云盘模型(SNDM)。这归功于苏联天文学家维克托·萨弗罗诺夫和他的书《Evolution of the protoplanetary cloud and formation of the Earth and the planets》(1972)。这本书简直论述并处理了一切行星构成过程中的首要问题。

例如,SNDM模型成功地解说了年青恒星物体周围吸积盘的呈现。各种模仿也表明,这些圆盘中物质的积累导致了一些地球巨细的星体的构成。因而,地球行星的来历现在被以为是差不多处理了的问题。

尽管开端只适用于太阳系,但后来理论学家以为SNDM适用于整个世界,它被用来解说许多系外行星的构成。

问题

尽管星云理论被广泛承受,但它依然存在一些问题,天文学家们一向未能处理。例如歪斜轴的问题。根据星云理论,恒星周围的一切行星都应该以与黄道相同的方式歪斜。可是,正如咱们所了解的,内行星和外行星的轴向歪斜是彻底不同的。

内行星的歪斜度简直为0,而其他行星(如地球和火星)的歪斜度很大(分别为23.4°和25°),而外行星的歪斜度规模从木星的小歪斜3.13°,到土星和海王星更显着的歪斜(26.73°和28.32°),再到天王星的极端歪斜97.77°,它的两极始终朝向太阳。

 

 

图解:由行星宜居性实验室提供的可能适合寓居的系外行星列表。来历:phl.upr.edu

此外,对太阳系外行星的研讨也让科学家们注意到一些不规则现象并对星云假说产生了怀疑。其间一些不规则现象与“热木星”的存在有关,这些“热木星”以短短几天的周期与它们的恒星近距离绕行。天文学家调整了星云假说来解说其间的一些问题,但还没能处理一切的外围问题。

唉,好像与来历有关的问题是最难答复的。当咱们以为得到了令人满意的解说时,依然存在一些无法解说的扎手问题。可是,在目前的恒星和行星构成模型和世界的诞生之间,咱们现已走过了很长的一段路。跟着咱们更多地了解附近的恒星体系和探究世界,咱们的模型可能会进一步老练。

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