太阳系的起源

太阳系的起源

星云说

16世纪哥白尼提出的日心地动说,确立了太阳系的概念,正确地描述了太阳系的结构和行星、卫星的运动情况。17世纪初在望远镜发明以后,用望远镜看到了金星的位相和视圆面大小的变化,看到了木星的4个大卫星,这些都证明了哥白尼的太阳系学说的正确性。哥白尼的学说使自然科学摆脱了神学的束缚,促进了自然科学的发展。17世纪,法国哲学家笛卡尔提出了关于天体形成的涡流学说,认为在太初混沌里,物质微粒逐渐获得了涡流式的运动,各种大大小小的涡流之间的摩擦把原始物质匀滑,挤出的物质落入涡流中心,形成了太阳;较细的物质飞走,形成了透明的天穹;较粗的物质块被俘获在涡流里,形成了地球和其他行星;在行星周围出现了次级涡流,它们俘获物质而形成卫星。笛卡尔的这个涡流学说,提出在万有引力定律被发现以前(1644年)。牛顿在他的有名著作《自然哲学的数学原理》一书中提出了万有引力定律以后,人们很快认识到万有引力在天体的运动和发展中所起的重要作用,认识到不考虑万有引力作用的任何天体演化学说都是不能成立的。因此,后来在讨论天体演化问题时,便很少提到笛卡尔的涡流学说了。

康德于1755年提出的星云说,认真考虑了万有引力的作用。详细论述这个学说的康德著作名叫《自然通史和天体理论》,副标题是“根据牛顿定理试论整个宇宙的结构及其力学起源”。这里说的“牛顿定理”,就是万有引力定律。康德认为,太阳系的所有天体是从一团由大大小小的微粒所构成的弥漫物质通过万有引力作用逐渐形成的。较大的质点把较小的质点吸引过去,逐渐形成大的团块。团块在运动中经常发生碰撞,有的碰碎了,有的则结合成更大的团块。弥漫物质团的中心部分就集聚成太阳。所以,康德认为,整个太阳系,包括太阳本身在内,是由同一个星云主要通过万有引力作用而逐渐形成的。这个主要论点在今天看来仍然是正确的。康德又认为,行星的自转是由于落在行星上面的微粒把角动量加到行星上而产生的。行星的吸引“迫使靠近太阳的、以较快速度运转的微粒离开了它们原来的轨道方向,使之沿着长椭圆的轨道运行并升到行星之上。这些微粒因为具有比行星本身更大的速度,所以当它们被行星吸引而下落时,就给它们的直线下落以及其他质点的下落运动一个自西向东的偏转。”今天来看,康德关于行星自转起源的论点也基本上是正确的,不过细节上需要修改。落到行星上的不仅有质点、微粒,也有由微粒形成的团块,在行星形成过程后期,还会有很大的固体块(称为星子)落到生长中的行星(称行星胎)上。

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“星云说”模拟图

法国数学和物理学家拉普拉斯于1796年出版了一本科学普及读物《宇宙体系论述》。在这本书的7个附录的最后一个附录里,拉普拉斯用几页的篇幅叙述了他对太阳系起源的看法,提出了他的星云假说。他在提出这个学说的时候,并不知道康德已于41年前提出过一个类似的学说,更未看到康德的书。这是因为,康德的书是匿名(书上未写作者的真实姓名)出版的,初版的印数也不多。在拉普拉斯发表他的星云说以后,人们才回想起几十年前就曾提出过一个类似学说的这本书,并知道了它是康德所写的。此后,该书才得到再版和广泛流传。

拉普拉斯认为,太阳系是由一个气体星云收缩形成的。星云的体积最初比今天的太阳系大得多,大致呈球状,温度很高,缓慢地自转着。后来,星云逐渐冷却和收缩,由于角动量守恒,星云收缩时转动速度增加,离心力越来越大,在离心力和密度较大的中心部分的吸引力的联合作用下,星云越来越扁。到了一定时候,作用于星云表面赤道处的气体质点的惯性离心力便等于星云对它的吸引力,这时候,赤道面边缘的气体物质便停止收缩,停留在原处,于是形成一个旋转气体环。随着星云的继续冷却和收缩,分离过程一次又一次地重演,便逐渐形成了和行星数目相等的多个气体环,各环的位置大致就是今天各行星的位置。星云中心部分,则收缩成太阳。在各个气体环内,物质的分布不是均匀的,密度较大的部分把密度较小的部分吸引过去,逐渐形成了一些气团,在大致相同的轨道上绕太阳转动。由于互相吸引,小气团又集聚成大的气团,最后结合成行星。刚形成的行星(原行星)还是相当热的气体球,后来才逐渐冷却、收缩、凝固为固态的行星。较大的原行星在冷却收缩时又可能如上述那样分出一些气体环,形成卫星系统。拉普拉斯认为,气体环就像刚体那样旋转着,外部的线速度比内部的大,所以环凝聚成行星以后,行星就正向自转起来。最后,太阳的自转是原始星云自转的必然结果。土星光环是由没有结合成卫星的许多质点构成的。

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太阳正在形成

拉普拉斯星云说的主要论点是:整个太阳系是由一个自转着的星云收缩而形成的。星云收缩时,由于角动量守恒,自转速度越来越大,到一定时候,赤道处离心力等于吸引力,便有物质留下来,后来这些物质就形成行星。今天来看,这个主要论点仍然是正确的。但是,拉普拉斯认为,星云开始时很热,由于冷却才收缩。今天知道,星际云并不热,温度平均只有10~100K左右,即冰点以下的-173~-263℃。收缩不是由于冷却而是由于自吸引发生的,星云越收缩,温度越高。另外,在赤道面形成的也不是一系列的星云环,而是一整个星云盘。计算表明,如果原始星云的角动量等于今天太阳系的总角动量,那么,当星云收缩到今天太阳系的大小时,赤道处的离心力远远小于吸引力,不可能留下物质来形成星云盘。所以必须认为,原始星云的质量比今天的太阳系大,角动量也比今天太阳系的角动量大好多,后来一小部分物质离开了太阳系,带走了绝大部分的角动量,才能够解决这个矛盾。拉普拉斯的星云说和康德的星云说都没有说明太阳系的角动量分布。

灾变说

由于康德和拉普拉斯的星云说对太阳系的一些问题不能完全解释清楚,从19世纪末到20世纪40年代这几十年当中,各种有关太阳系起源的灾变说非常盛行。它们的共同点是,都认为太阳系这样一个天体系统是宇宙间某一罕有的巨大变动的产物。第一个灾变说,出现在康德发表星云说之前,它的提出者既不是天文工作者,也不是数学工作者、物理工作者,而是一个动物学工作者,即法国人布封。他从牛顿的著作里了解到1680年出现的一个大彗星的轨道偏心率大到0.999985,经过太阳时离日面只有23万千米。他认为,既然有彗星走到离太阳这样近的地方,从日冕穿过去,那么,一定会有彗星碰到过太阳。于是,布封在1745年提出来一个假说。他认为,太阳比行星先形成,太阳形成后,曾经有一个彗星“掠碰”(擦边而过)到它,这一方面使太阳自转起来,另一方面碰出了不少物质。这些物质一部分落回太阳,一部分脱离太阳的吸引力飞走了,还有一部分则绕太阳旋转起来,后来形成了行星。在当时的欧洲,宗教反动势力还很强大,任何和上帝创造天地万物的宗教教条相违背的天体演化学说都会遭到宗教的反对,所以布封的学说发表后,他就受到宗教反动势力的恐吓、迫害,他被迫于1751年宣告放弃其看法。到18世纪末,拉普拉斯和其他人都相继指出,彗星的质量比地球小得很多,即使彗星碰到太阳,也不会碰出足够多的物质来形成行星。1878年,新西兰天文学工作者毕克顿又提出,曾经有两个恒星相碰,产生了类似新星的爆发,爆发时抛出的物质形成了行星,两个恒星则合成太阳。

在这些学说中,大多数都认为太阳先形成,在某个时候有另外一个恒星走到太阳附近,引起太阳的大量抛射物质,这些物质后来就形成行星、卫星。最著名的灾变说是英国天文工作者金斯于1916年提出的潮汐学说。它认为,当另一恒星接近太阳时,在太阳上面产生了很大的潮。反面的潮比正面的小得多,很快衰落。正面的潮很大,物质被经过的恒星拉出来,形成一个长条。在另一恒星离开太阳的时候,它对长条的吸引使得长条朝恒星离去的方向弯曲,使长条获得了角动量,以后这些物质就一直绕太阳转动,并在长条内形成了所有的行星。长条的中部较粗,两头较细,所以,由中部物质形成的木星、土星较大。太阳原来就已经在自转着,今天太阳系的不变平面,是经过的恒星对太阳而言的轨道面,所以不变平面和太阳的赤道面不一定重合。事实上,两者之间有一个6°的交角。

在潮汐学说提出以前,美国地质工作者章伯伦和天文工作者摩尔顿还提出过星子学说。他们认为,接近太阳的恒星在太阳的正面和反面都产生了很大的潮,正面抛出的物质沿恒星离去的方向偏转,反面抛出的物质则朝相反的方向偏转,这样就形成了螺旋状的两股气流,它们逐渐汇合为一个环绕太阳转的星云盘。开始是气体凝聚为液体,然后又凝固为固体质点,固体质点再集聚成星子,最后才形成行星。开始时,行星轨道偏心率很大,行星过近日点时太阳对行星的潮汐作用就导致卫星的形成。行星后来由于经常和残余的星子碰撞,偏心率才逐渐变小,轨道变圆。星子学说的前半部分是灾变说,后半部分实质上是星云说。

金斯以后,又有好几个英国人提出了新的灾变说,其中每一个都增加了更多的偶然因素。1929年,捷弗里斯认为,另一个恒星不仅接近太阳,而且碰到了太阳。这使太阳自转起来。而碰出的物质成一长条,后来形成了行星。干恩则认为,另一个恒星接近太阳时,太阳正处于自转不稳定状态,这一恒星的接近,引起太阳大量抛射物质。印度人巴纳奇在1943年提出,太阳的前身是一个造父变星,当另一恒星接近它时,使它的脉动成为不稳定的,从而抛出大量物质,形成了太阳和行星。到1963年,巴纳奇又补充假定,太阳的前身是一个磁场特强的造父变星,当时的质量为今天太阳质量的9倍,在另一恒星接近它时,使它的脉动振幅变大,不稳定,从而抛出大量物质,形成了太阳和行星。1964年,英国人乌尔夫逊又提出,接近太阳的恒星是一个超巨星,当两者接近时,不是超巨星从太阳拉出物质,而是太阳从超巨星拉出一长条物质,从而形成行星。从上述介绍可以看出,灾变说发展中偶然的因素越来越多了。

另一类与上面不同的灾变说认为,太阳原来是双星的一个子星。这是美国罗素于1935年首先提出来的想法。1936年,英国里特顿把罗素的想法加以发挥,设想太阳的伴星被第三个恒星碰了一下,碰撞后太阳的伴星和那个恒星就像弹子球那样朝不同方向走开,中间拉出一长条物质。这一长条的中部被太阳俘获,留在太阳附近,后来就形成行星。里特顿的这个双星学说发表以后,受到了很多批评。于是,他于1941年提出又一个学说。这个学说认为,太阳的伴星本身又是一个密近双星,双星由于吸积星际物质而合成为一个角动量很大的恒星,然后,由于自转不稳定而再度分裂为两个恒星。这两个恒星沿双曲线轨道彼此离开,同时也就离开了太阳。两个恒星分开时拉出一长条物质,被太阳俘获,最后形成行星和卫星。在1945年,英国霍意耳提出,太阳过去是双星的一个子星,另一子星因为发生了大爆发,成为超新星,朝太阳方面抛出的物质较多,由于反冲作用而离开了太阳。抛出的一部分物质被太阳俘获,后来就形成了行星。超新星抛出的物质包含有许多种重元素,如铁、镁、硅、铝等,这样可以说明地球和行星里重元素的来源。

银河系里恒星的空间密度很小,平均每35立方光年体积内才有1个恒星。打一个比方,假定地球内部完全是空的,在地球内部放3000个乒乓球,地球内部空间的乒乓球比银河系空间内的恒星还要密集。银河系空间里恒星这样稀疏,所以两个恒星接近到能引起很大的潮的机会是很小的,对于每个恒星大概是每2000多万亿年才有一次,至于碰撞,机会就更小了。但是,在离太阳相当近的恒星中,就已经发现了在十几个恒星周围有看不见的伴星,其中一部分伴星很可能是行星。所以,银河系内行星系统是相当普遍的,绝不是如灾变说所认为的那样是罕有现象。另外,要从太阳拉出足够的物质来形成行星,大部分物质就应当是从太阳表面之下相当距离处,温度高达100万度的地方拉出来的,而温度这样高的气体即使被拉出来,也会很快扩散掉,不可能维持为一长条。最后,经过的恒星必须很接近太阳,才能拉出足够多的物质,但这样形成的行星离太阳将很近,角动量将很小。以上几点,都说明灾变说不能成立。事实上,提出灾变说的一些人,如捷弗里斯、霍意耳和里特顿等,他们也都先后承认这种学说不能成立,霍意耳和里特顿后来都改主张星云说了。

新星云说

19世纪头40年中,在太阳系起源的研究上灾变说曾占了绝对优势,只有两个人提出了星云说。到40年代,情况发生变化,虽然在前半期新提出了4个灾变说,但很快就衰落下去,星云说一跃而占居了统治地位。仅在40年代里就出现了7个星云说。50年代开始以后,新提出的太阳系起源学说除了乌尔夫逊的学说以外,全部都是星云说。

康德和拉普拉斯的星云说以及大部分灾变说,它们都只考虑问题的力学方面,即只考虑万有引力作用。在20世纪最先提出的几个星云说中,则强调了电磁力在太阳系形成中的作用。1912年,挪威物理工作者伯克兰提出,太阳从一开始就有磁场,太阳抛射出的离子沿着磁力线在螺旋轨道上向外运动,最后停留在一些圆上,形成一些气体环,不同的环由不同的离子组成,每个环逐渐形成一个行星。荷兰气象工作者贝拉格于1927年提出的一个学说则认为,太阳把正离子和尘粒抛入它周围的气壳内,太阳自己因此而带负电,气壳里的离子后来就形成距离分布符合提丢斯—彼得定则的各行星。1930年,贝拉格对自己的学说作了修改。他把尘粒改为电子(太阳上面温度非常高,根本不存在尘粒),又假定太阳抛出的离子先集聚成一些环,然后才形成行星。贝拉格继续修改他的学说,不断引入更多的假设,例如,为了说明角动量分布,他甚至引入了另一恒星接近的灾变说论点。1942年,瑞典物理工作者阿尔文提出,太阳开初已经形成,行星和卫星是由从远处下落到太阳附近的弥漫物质形成的。这些物质原来是电离的,它们被太阳的磁场和星际磁场维持在离太阳几千天文单位的空间,后来由于冷却,才由电离状态转变为中性状态,向太阳下落。物质在下落中不断被加速,动能增加到一定程度就会和路上遇到的质点碰撞而再度电离,停止降落,从而在太阳附近形成几个云。就是在这些云里,形成了行星和卫星。太阳磁场的磁力线随太阳的自转而转动,云的电离质点不能跨过磁力线,因而被带向前。云中的中性质点也被电离物质拖着向前,这就相当于太阳通过磁场的作用把自己的一部分角动量转移给云物质,所以形成后的行星具有大的角动量。

另外一些星云说,强调了湍流在太阳系形成中的作用。例如,德国物理工作者魏札克于1944年提出的漩涡学说就是这样。他认为,星云盘内离太阳相同距离的质点的公转椭圆轨道具有不同的偏心率,所以盘内会出现漩涡,漩涡的排列很有规则性:盘分为几个同心环,越外面的环越宽,每个环内有同样数目的漩涡,魏札克估计的数目是5个。漩涡内物质的转动方向和公转方向相反。在相邻两环的3个漩涡之间,会出现次级漩涡。这些次级漩涡的转动方向和公转方向一致,行星就在这种次级漩涡里形成,所以,行星具有正向的自转。

有一些学说强调了太阳抛射物质的作用。法国天文工作者沙兹曼认为,太阳在慢引力收缩阶段抛射出大量的带电物质,这些被抛出的物质沿着太阳的磁力线运动,只有运动到离太阳一定距离以后,才不受磁场的约束。这些抛出的物质如果不是受磁场的约束,那么,由于角动量守恒,它们绕太阳转动的角速度将随着离太阳的距离的增加而减小。但是,由于磁场(当时太阳的磁场可能比今天强几百倍)的约束作用,抛出物质的转动角速度保持固定。因为角动量等于质量、角速度和距离平方三者的乘积,所以,抛出物质的角动量便越来越大,太阳的角动量便相应地减小。简单说来,这就是说,太阳通过磁场的作用把自己的角动量的一部分转移给抛射出去的物质。抛出的物质所带走的质量虽然不算多,但带走的角动量却很多。这个机制被称为沙兹曼机制,它和上面讲过的磁耦合有相似的地方,也有不同的地方。

有些新的星云说同康德、拉普拉斯的星云说一样,也认为整个太阳系是由同一个星云形成的,星云中部形成太阳,外部形成行星、卫星。但是,有一些星云说,例如苏联施密特的学说,却认为太阳先形成。已经形成的太阳在星际空间里运动时,和一个星际云相遇,俘获了这个云里的物质,形成了环绕太阳的星云盘,然后在盘里形成了行星、卫星。还有一类星云说,认为形成行星、卫星的物质全部或大部分是由太阳抛射出来的。

关于行星的形成方式,有些星云说认为,星云盘里的气体先凝聚为尘粒(小固体质点),加上原来存在于星云内的尘粒和小冰块,一起逐渐集聚成大的星子;最大的星子成为行星胎,逐渐长大,最后形成为行星。有些星云说则认为,在星云盘里比较快地就形成了一些很大的原行星。美国天文工作者柯伊伯的学说就是这种论点的典型。他认为,在太阳形成以后,星云盘的物质很快就集聚成一些很大的原行星。例如,原地球的质量大到今天地球质量的500倍,原木星的质量等于今天木星的20倍。在原行星的内部,高压使得气体凝聚为固体,而且形成的固体质点沉入最里面部分。外部的气体则由于太阳的光和热以及太阳粒子流的作用而挥发掉,最后只剩下固体部分,就成为固态的类地行星。如果原行星外部的气体保留下来一小部分,最后就形成体积大、质量大但密度小的类木行星。这个原行星学说有一个根本的漏洞:原行星的质量那么大,它对于外部大量气体的吸引力也就很大,因此,太阳的光和热,就算加上辐射压力和粒子辐射,要在太阳系存在的几十亿年内就把原行星多余的气体全部赶跑,这是不可能的。

美国化学工作者尤雷提出,星云盘物质先集聚成许多气体球,它们的平均质量为1028克,其中非挥发性物质的质量和今天的月球差不多,就是这种非挥发性物质先凝聚成固体。气体球由于辐射而收缩,内部温度和压力升高,固体物质沉入中心部分,并在高温高压下形成今天在陨石里所发现的地上未曾见过的粒状体,以及在一些陨星里发现的钻石。后者的形成需要1000℃的高温和34千巴的高压。比较靠近太阳的气体球,它们外部的挥发性物质逐渐跑掉,而成为含硅、铁、镁及其氧化物为主的固态天体。这些固态天体互相吸引、互相碰撞,有的就合成为类地行星,碰撞形成的碎块就是陨星。离太阳较远的气体球,它们直接合成为类木行星。月球和其他大的卫星,还有大的小行星,都是留存下来的气体球内部形成的固体球。月球被地球俘获,才成为地球的卫星。

尽管新星云说使得人们对太阳系的形成有了进一步的认识,但是目前还不能说已经揭开了太阳系起源之谜。