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太阳系诞生时间 有多久了?

2017-4-19 23:28| 发布者: 伤我心太深| 查看: 135| 评论: 0

  太阳系何时诞生?恒星演化理论告诉我们大约是在47亿年以前,这和太阳系内最老的岩石年龄相同。和其他恒星一样,太阳形成在银河系的气体云中。

  这些气体云主要的成分都是宇宙大爆炸核合成时形成的,也就是说有四分之三的质量都由氢元素构成,剩下的四分之一主要是氦元素。但太阳已经不是宇宙中第一代恒星,所以形成太阳的气体云中还含有极少量的重元素。由于气体云的主要成分是氢,而大量氢元素以氢分子的形式存在,因此人们也把这些气体云团称作氢分子云。氢分子云团会因为自身的引力作用坍缩,附近的超新星爆发带来的冲击波可能会引发塌缩的过程。气体云在塌缩前往往有一些旋转。



  因为角动量守恒,气体云在塌缩的过程中会旋转得越来越快。由于其旋转离心力可以抵御一部分的重力,这使得气体云在垂直旋转面的方向率先坍塌,形成一个盘状结构。在气体盘的中心,会形成一个高温且大质量的核球——被称作原恒星。


  原恒星的引力会使得物质进一步的向中心坍塌,它核心的温度和压力会变得越来越高。最终,高温高压的核心发生氢的核聚变。核聚变会产生巨大的热量,不但足以抵御物质的进一步塌缩,还会产生高能的太阳风,横扫整个气体盘,将物质向外推出,而留在气体盘中心的,是一颗稳定的火球,这就是太阳。


  太阳的质量占据了整个太阳系质量的99.8%以上,但剩下的残余物质仍然足以形成行星。最初,这些颗粒非常细小,主要通过碰撞的方式和其他的颗粒融合,电磁相互作用是粘合这些小颗粒的胶水。一般认为,1mm大小的颗粒会迅速合并成长,最后形成被称作星子(planetesimal)的较大岩石核。这些岩石核大小在1-100公里,可以看作是行星的幼年阶段。



  当固体岩块长到星子大小,就可以有效地通过引力相互作用吸引其他颗粒、石块和气体;同样的,碰撞也帮助星子迅速成长。星子进一步成长,可以长到火星大小,在这个过程中,碰撞和放射性元素的辐射会融化星体,较重的元素会沉淀到核心,形成一个铁核。


  这个时候的星体被称作Planetary em-bryons,大小大致在月球到火星尺度。这些Planetary embaryos会进一步合并,最终形成类地行星(水星、金星、地球、火星)。这一步的合并占到了类地行星形成时间的90%以上,大约需要1亿年。


  在太阳系中,类地行星都位于靠近太阳的地方,这可能是因为太阳的光和热使得水蒸气、甲烷这些易于挥发的气体无法在内太阳系(太阳中心向外四倍日地距离的范围)聚集。因此在内太阳系凝聚的行星都是由重元素构成的。因为重元素的质量有限,类地行星无法成长得太大,引力也不足以大量吸积氢氦这样更轻的元素。


  但在距离太阳三倍日地距离的地方,来自太阳的光热渐弱,水冰可以存留。这里被研究人员称作雪线。气态行星一般被认为形成在雪线之外,它们和类地行星一样需要先形成一个岩石的核心,但身处雪线之外使得它们可以获得更多的物质,成长得更大。当气态巨星的种子的质量到达10倍地球质量,它就可以非常有效地吸引更轻但却含量更丰富的氢、氦元素并进一步迅速成长。


  但是,请记住太阳形成的时候已经用光了90%的物质,剩下的物质总量也是有限的,所以太阳系只能形成有限的气态巨行星。这可能是土星质量小于木星的原因——率先形成的木星已经用掉了太多的原料。


  而天王星和海王星形成时,太阳系剩下的氢、氦元素就更少了,更不用说太阳风还在把这不多的氢、氦继续吹向远方。这也许是为什么天王星和海王星主要由冰而不是由气体构成。

  太阳是一颗普通的恒星,但太阳系是不是也很普通呢?这仍然是一个未解之谜。在过去的10年里,人类发现了大量的地外行星系统。我们可以确信,恒星拥有行星并不是宇宙中的新鲜事。但我们当前的观测能力仍然有限,并不能穷尽另一颗恒星的所有行星。我们仍然不知道,像太阳系这样拥有8颗大行星的系统是否罕见。而这是未来地外行星研究最重要的问题。


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