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第7章 太阳之谜(1)

太阳系的诞生

无论宇宙多么深邃莫测,壮丽辽阔,我们还是不能总是沉湎于它的宏伟之中,我们必须回到我们生活的星球小家族中来,回到我们的太阳及环绕着太阳的星球上来。

牛顿时代的人们已经能够把地球和太阳系的产生当作整个宇宙产生问题中的一个个体问题进行推测了。人们那时候认识到,太阳是构成银河系的亿万颗恒星中的一颗,而地球是环绕着太阳的行星之一。科学界到目前为止,在关于太阳系的诞生提出的全部理论上分为两类:演化说和灾变说。

演化说

演化说认为,整个太阳系最初都是一片混沌状态。这种混沌状态中只存在一种物质——星云。这种星云十分原始,是一种非常灼热的气态物质,并且迅速旋转着,先分离成圆环,在圆环凝聚后又形成行星,而太阳便是由凝聚的核心形成的。这是200多年来众多太阳系诞生学说中的一种,也就是著名的“康德一拉普拉斯假说”。

当然,关于太阳系的诞生问题,自宇宙学正式成为一种学问以来一直都没有一种最权威的说法能让大家信服。到今天,各种假说不断出现,已经有40多种关于太阳系的起源问题的说法了。而“康德一拉普拉斯假说”只不过比较有代表性罢了,这种说法又被称为星云说,也叫演化说。

在当时,这种学说受到了普遍的拥护和认同,后来,随着人们认识的不断变化,星云说也开始受到质疑。不过近年来,得星云说又因为美国天文学家卡梅隆的一种说法而重新得到世人的关注。卡梅隆认为:太阳系原始星云是巨大的星际云氤出的一小片云,起初这一小片云不断自转,同时在自身引力的作用下又不断收缩。经过漫长的演化,它的中心部分便形成了太阳,外围部分变成星云盘,星云盘后来就形成行星。

由于受到了许多世界顶级天文学家的重视,这一观点倍受世人的关注。然而必须承认的是,这一学说还是无法对太阳和各行星之间动量矩的分配问题做出解释,这一缺陷也使得大家一直怀疑这种学说。

于是灾变说便应运而生。

灾变说

在灾变说看来:太阳是单独生成的,在历史上的某个阶段发生了某个激烈的事件,由此太阳形成了一个家族。

18世纪时,圣经故事中的大洪水之类巨大事件仍然让科学家们很迷惑,因此地球历史充满着激烈的灾变假说得到了广泛的欢迎。那为何不能有一次超级大灾变来起始这整个过程呢?在1745年,法国博物学家布丰提出了一个流行的理论:太阳系的生成源自太阳和一个彗星一次相撞时产生的碎片。他之所以把这个天体称为彗星,是因为想不出其他更好的名称。我们现在知道,彗星其实是一种微小天体,它们被几缕极稀薄的气体及尘埃包围着。但布丰的理论仍然能够成立,只要我们另给碰撞的天体起一个名字就可以了。

到了20世纪初,英国天文学家金斯又把灾变说发展到一个前所未有的高度,使人们再次注意到这种学说。金斯认为,正是由于一颗恒星偶然从太阳身边掠过,把太阳上的一部分东西拉了出来,才导致了行星的形成。而受到它起潮力的作用,太阳表面会抛出一股气流,在气流凝聚后,就变成了行星。

虽然这样,但对某些人来说,也许更为自然,也更少偶然性的想法,是把引起太阳系诞生的过程设想成一个时间很长的非灾变过程。因为通过某种方式,这种想法能适应牛顿所提出的支配宇宙中星球运动的自然定律。

点击谜团——宇宙中还有其他“太阳系”吗?

是否除了我们的太阳外,其他恒星周围也存在行星呢?这也直接关系到其他天体上有没有可能存在生命的问题,因为在那些围绕恒星旋转,且具备生存条件的行星上,生命才可能生存。

科学家们长期以来一直努力寻找太阳系以外的“太阳系”,距离我们5.9光年的蛇夫座巴纳德星是较早提到的。而从1995年才开始真正发现太阳系外行星,这年的10月,在“飞马座51号”星周围,两位瑞士天文学家发现了一颗行星类天体,并把它命名为“飞马51B”。3个月后,在“室女座70号”星和“大熊座47号”星周围,两位美国天文学家又发现了行星类天体,它们分别被称为“室女70B”和“大熊47B”。从那时起到现在,至少已找到了10颗以上天体确认为是太阳系外的行星。但有一个情况非常值得注意:这些被认为是行星的天体远比我们原先想象的要复杂,它们有的表面温度比较高,有的绕主星轨道偏心率比较大。可以肯定的是,这样的行星上不可能存在生命。

具有重要意义的是,在离太阳系不远的地方,也存在着类似于太阳系这样的“太阳系”。因此,不难想象,光是在银河系中的“太阳系”就可能为数不少。

太阳系的演化

太阳作为一个恒星,也在不断地演化着。它今天是一个主序星,内心部分的氢在不断地转化为氦,几十亿年以后,它就将成为一个红巨星。太阳的表层也经常发生变动,这就是所谓的太阳活动。

太阳系在演化

在行星、卫星等天体都形成以后,太阳系也不是就不变了,而是在不断地演化着。我们人类生活于其上的地球也在不断地演化,如地壳运动、圈层分化、火山活动等。地球演化的各种表现,正是地球科学工作者的研究对象。太阳作为一个恒星,也在不断地演化着。它今天是一个主序星,内心部分的氢在不断地转化为氦,几十亿年以后,它就将成为一个红巨星。太阳的表层也经常发生变动,这就是所谓太阳活动。有时候,太阳表层爆发的规模远超过地球上最猛烈的火山爆发。地球以外的其他行星,月球和其他卫星,也没有一个不是在不断地演化着。彗星的演化尤其迅速,有些彗星在接近太阳时就分裂为几个部分,有些则整个瓦解,转化为弥漫物质。彗星的轨道也在不断地变化。

太阳系作为一个系统是怎么样演化的,以行星为中心的各个卫星系统是怎么样演化的,这些是太阳系演化史不可缺少的部分。如果上面所描述的星云盘演化史是正确的话,那么,行星的轨道半长径最初都比今天的轨道半长径小。太阳在金牛座T型星阶段里抛射掉大量物质,它的吸引力减弱以后,各行星的轨道半长径才增加到今天的数值。至于从那时候以来四十多亿年间,轨道半长径有没有变化,如何变化,这个问题则不容易回答。根据天体力学的研究,行星公转轨道的半长径,长时间来没有经过大的变化。但是,这个问题还需要继续研究。

形形色色的演变更替

由地球和月球组成的地月系的演化情况,我们已经了解得比较清楚。月球的潮汐摩擦作用一直在使地球的自转速度变慢,使地球的自转周期每一百年增长0.0015秒。人们从约4亿年前的珊瑚化石推算出当时每年有400天,这是地球的自转周期由于潮汐摩擦而增长的可靠证据。潮汐摩擦也使得月球逐渐离开地球。

太阳系里除了太阳、行星、小行星、卫星、彗星以外,目前还有大量的流星体,即大大小小的固体质点和固体块,这一点已是无可怀疑。经常落在地球上的陨星以及产生流星现象的小天体,就是这样的流星体。天气晴朗时在傍晚或黎明,当逢黄道和地平线的交角较大时,我们会看到一种黄道光,这很可能是一个以太阳为中心的透镜状的流星物质云反射太阳光而产生的。月球上大大小小的环形山,绝大部分就是由于流星体撞击而产生的。前面讲过,甚至月面上很大的“海”,也是由于很大的流星体撞击月面,击穿外壳,使月球内部的液态物质流出来而形成的。在火星和水星表面也发现了好多环形山,它们也是流星体撞击造成的。

太阳系里的流星体,一部分是原来星云盘里星子的残余,另一部分则是在太阳系演化过程中逐渐形成的,这些过程包括彗星的瓦解,小行星的互相碰撞,行星和大卫星上的爆发等。例如,彗星瓦解后就形成一个流星群,太阳的潮汐作用则使流星群沿着轨道逐渐散开。

半径小于一微米的流星体会因为太阳光压力的驱赶而离开太阳,有些甚至会离开太阳系。对于质量在10-10克和105克之间的较大的流星体,太阳的光压会起另一种作用。由于流星体的公转轨道都是椭圆,偏心率一般较大,太阳光压对流星体的公转会起到制动作用,使它们的公转速度降低,从而向着太阳下落。在地球轨道附近的流星体,如果半径为1毫米,密度1.5,那么,它们只要过100万年就会由于太阳光压对它们公转的阻力而落入太阳。不过,在实际上,当流星体很接近太阳时,太阳的光和热会使它们蒸发,使之化为气体而扩散掉。

除了流星体以外,太阳系空间里还充满着气体,这些行星际气体很稀薄,每立方厘米只有几个到十几个分子。行星际气体的主要来源是太阳的粒子辐射,包括太阳风和太阳发出的宇宙线。此外,行星大气的蒸发、彗发和彗尾的扩散、行星和大卫星上的爆发、天体的互相碰撞,以及来自太阳系以外的宇宙线,都能把气体输送到行星际空间里。行星际气体一方面在离开太阳系,另一方面又从上述各种过程而不断地得到补充。这也是太阳系演化的一个方面。

相关链接——太阳其实是颗很普通的恒星

所谓恒星,是指由其内部能源产生辐射而发光的大质量球状天体。我们熟悉的太阳,就是一颗典型的恒星。通常来说,恒星的体积和质量都很大,只是由于距离地球太远的缘故,我们看到的星光才显得非常微弱。古代的天文学家认为,恒星在星空的位置是固定的,所以就给其命名为“恒星”,意思是“永恒不变的星”。

恒星质量基本上都在太阳质量的百分之几到120倍之间,其中以在0.1~10个太阳质量之间的占多数。由此可见,我们的太阳也只是颗质量处于平均水平的普通恒星而已。

从恒星的直径大小来看,一般认为“御夫座S”食双星系统中的那颗看不见的伴星,大概是已知的最大恒星了,其直径约为57亿千米,相当于太阳直径的4000多倍。而中子星则是迄今发现最小的星,典型中子星的直径约10千米,相当于太阳的十四万分之一。从中可见,太阳的直径也是出于众多恒星中的中间位置而已。

再说恒星的光度,也就是恒星真正的发光能力。恒星的光度变化范围是很大的,但大部分都在太阳的50万倍到五十多万分之一之间。

从恒星的表面温度来说,恒星的表面温度基本上都在2000~80000℃之间,太阳也是处于中间位置,表面温度约6000℃。

进行比较之后我们发现,其实太阳是颗一点也不特殊、貌不惊人的普通恒星。不仅如此,它还与其他恒星一样,只是银河系的一般成员而已。只是对于我们人类,它才具有重要的作用。

太阳系的家庭成员

每天,在你迎接早晨第一束阳光的时候,你是否知道,它从太阳照射到我们的地球,已经“跑”了8分20秒了。你能想象得出太阳离我们有多远吗?要知道,光线每秒钟跑30万千米呢,它沿赤道绕地球一周,只需要七分之一秒!因此我们可以计算出,太阳到地球的平均距离有1.5亿千米。

太阳系这一天体系统是由太阳、行星及其卫星、小行星、彗星、流星和行星际物质构成的,而作为太阳系的中心。在庞大的太阳系家族中,太阳的质量占太阳系总质量的99.8%,八大行星以及数以万计的小行星占有的比例微忽其微,它们都沿着自己的轨道万古不息地绕太阳运转。同时,太阳又慷慨无私地奉献出自己的光和热,温暖着太阳系中的每一个成员,促使他们不停地发展和演变。

万物之源——太阳

当清晨太阳从漫天红霞中喷薄而出,把万丈金光洒向大地时,一种蓬勃向上的激情就会油然而生。看到这个充满生机的世界,我们无法不热爱和赞美赐予我们生命和力量的万物主宰——太阳。

在我国,中华民族的祖先炎帝被尊为太阳神。而在绚丽多彩的希腊神话中,太阳神被称为“阿波罗”。他右手握七弦琴,左手托金球象征太阳,让光明普照大地,把温暖送到人间,是万民景仰的神灵。我们的象形字“日”,也与在天文学中太阳的符号“⊙”十分相似,象征着宇宙之卵。

太阳的质量是地球的33万多倍,体积大约是地球的130万倍,半径是地球半径的109倍多,约为70万千米。尽管如此,它也仅是宇宙中一个普通的恒星。

太阳的内部从里向外,由日核、辐射层、对流层、光球层4个层次组成。太阳的表面经常会出现太阳黑子、耀斑和日珥等。这些我们会在后面详细介绍。

行星及其卫星

一般来说,行星的直径必须在800千米以上,质量必须在50亿亿吨以上。

按照这一定义,目前太阳系内有8大行星:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。行星定义委员会(国际天文学联合会下属)称,将来太阳系中可能会有更多符合标准的天体被列为行星。目前,在天文学家的观测名单上,符合行星定义的太阳系内天体可能就有10颗以上。

行星自身并不发光,环绕着恒星运行。通常来说,行星需要具有一定的质量,而且要足够大,以至于形状大约是圆球状,但是质量不够的被成为小行星。

在太阳系内,我们用肉眼可以看到的行星有5颗,包括水星、金星、火星、木星和土星。经过千百年的探索,到16世纪哥白尼建立日心说后,人们才认识到地球也是绕太阳公转的行星,而包括地球在内的8大行星则形成了一个共同围绕太阳旋转的行星系──太阳系的主要成员。