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太陽星雲( solar nebula ),是太陽和太陽系形成前在宇宙空間由氣體和彌散的固體顆粒組成的星雲。圖示由卡麥降提出的太陽星雲演化的一種假說,他認為開始時為一旋轉的球狀星雲,然後形成一個盤狀,由於強烈對流和其他機製作用,使角動量向外轉移,並在其中心部分通過凝聚作用而形成太陽,由內往外形成類地行星和大行星。近年有人提出,是由於它附近的超新星爆發的輻射壓力和衝擊波,使之凝聚成太陽和太陽系。[1]

名詞解釋

星雲溫度只有幾十 K,密度 10-20~10-8g/cm3,中心部位溫度較高。星雲塌縮後光度和溫度急劇上升,在星雲盤中心形成太陽。其他距原始太陽不同距離的物質逐漸凝聚成不同化學成分的星子。在距太陽不同區域星子吸積形成各大行星和衛星。

太陽星雲是讓地球所在的太陽系形成的氣體雲氣,這個星雲假說最早是在 1734 年由伊曼紐·斯威登堡提出的。在 1755 年,熟知斯威登堡工作的康德將理論做了更進一步的開發,他認為在星雲慢慢的旋轉下,由於引力的作用,雲氣逐漸坍塌和漸漸變得扁平,最後形成恆星和行星。拉普拉斯在 1796 年也提出了相同的模型;這些可以被認為是早期的宇宙論。

當初僅適用於我們自己太陽系的形成理論,在我們的銀河系內發現了超過 200 個外太陽系之後,理論學家認為這個理論應該將能適用整個宇宙中的星系形成。

一般人認為,銀河系的第一代恆星幾乎全是由氫組成的,而第二、第三代恆星在形成的初期便含有許多種較重的核素。基於在太陽上存在許多種核素,天文學家們認為太陽是銀河系中的第二或第三代恆星,太陽上的那些較重的核素就是來自銀河系中的第一代恆星。天文觀測表明,在銀河系中存在着大量的雙星系或多星系恆星,即兩個或多個非常接近的恆星不僅環繞銀河系的中心運行,同時還彼此相互環繞運動。

形成環境

一般人認為,銀河系的第一代恆星幾乎全是由氫組成的,而第二、第三代恆星在形成的初期便含有許多種較重的核素。基於在太陽上存在許多種核素,天文學家們認為太陽是銀河系中的第二或第三代恆星,太陽上的那些較重的核素就是來自銀河系中的第一代恆星。天文觀測表明,在銀河系中存在着大量的雙星系或多星系恆星,即兩個或多個非常接近的恆星不僅環繞銀河系的中心運行,同時還彼此相互環繞運動。

形成條件

假設銀河系中某個雙星系或多星系中的一個質量是太陽的 10 倍以上的恆星在 80 億年前發生超新星爆發,則其噴射出的大量物質會以球面的形態擴散開來。顯然以這種方式擴散開來的物質由於以極快的速度飛向四面八方,最終甚至有可能衝出銀河系,故不太可能形成太陽星雲。但如果該恆星的伴星(質量是太陽的 8 倍以上)彼此相距較近,在附近超新星爆發產生的巨大衝擊作用下,其外層大量物質被剝離並以相對較慢的速度呈團狀飄向遠處,假如被剝離物質的總量足夠大,則這些被剝離的團狀物質經過漫長的歲月後,就有可能在銀河系中逐漸演化成一個新的星雲-太陽星雲,並最終從中誕生出類似於太陽的銀河系的第二、第三代恆星,以及星系中包括類似地球在內的各大行星。

雲團崩潰後,中心不斷升溫並壓縮,溫度高到可以使灰塵蒸發。初期的崩潰時間估計少於 10 萬年。中央不斷壓縮使它變為了一顆質子星,原先的氣體則繞着它公轉。大多數氣體逐漸向里移動,又增加了中央原始星的質量。也有一部分在自轉,離心力的存在使它們無法往當中靠攏,逐漸形成一個個繞着中央星體公轉的「添加圓盤」並向外輻射能量慢慢冷卻。

第一個制動點

質子星與繞着轉的氣體可能不夠穩定,由於自身的重力而繼續壓縮,這樣產生了雙星。如果不的話……

氣體逐漸冷卻,使金屬、岩石和(離中央星體遠處)冰可以濃縮到微小粒子(比如氣體又變回成灰塵)。添加圓盤一形成,金屬便開始凝結(對於某個流星的同位素測量,估計是在 45.5~45.6 億年前),岩石凝結得較晚(44~45.5 億年前)。

灰塵粒子互相碰撞,又形成了較大的粒子。這個過程不斷進行,直到形成大圓石頭或是小行星。

快速生成

較大的粒子終於大到能產生不可忽略的重力場,它們的成長也越來越快。它們的重力使小粒子的加盟變得更容易也更快,終於搜集到的質量與它們在公轉軌道上運行應有的質量相符,使運行變得穩定。因為大小由距離中點的距離和質子星體密度和化學組成決定。按理論來說,太陽系內層中像月球大小的小行星是太大了,外層需要地球的 1~15 倍大小的星體。在火星與木星處有一個較大的質量跳躍:來自太陽的能量能使近距離的冰變為水蒸氣,所以固態的合成的星體與太陽的距離可以大大超過臨界值。這類小行星體需要二千萬年形成,最遠的組成時間最長。

第二個制動點

星雲冷卻 100 萬年後,這顆星產生了強勁的太陽風,將星雲中剩餘的氣體全部吹散。如果質子星夠大,它的重力將能吸進星雲中的氣體,變成氣態巨型星,反之,則成為一個岩石質星體或冰質星體。

這一刻,太陽系是由固態星,質子星,氣態巨型星構成的。「小行星體」不斷碰撞,質量也漸漸變大。數千萬到數億年之後,最終形成了 10 多個運行於穩定軌道的行星,這就是太陽系。在漫長歷史中,這些行星的表面可能被極大地改變,如碰撞等。(例如大部分由金屬組成的水星或月球)

演化過程

球粒隕石是太陽星雲冷凝吸積的直接產物,其中的頑輝石球粒隕石具有非常特殊的岩石礦物學特徵(如 CaS、MgS 等各種親石元素硫化物的出現,SiO 在金屬相的存在等),是揭示太陽星雲在極端還原條件下演化的鑰匙。此外, 對該類型隕石的研究還有助於認識太陽星雲在徑向上的物質組成變化規律。

探索的必要

對太陽星雲的研究,可以幫助人類更好的了解太陽系的形成與演化,進而推動對地球起源與後來生命演化的相關研究,具有非凡的科學意義。

視頻

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參考文獻