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太阳星云( solar nebula ),是太阳和太阳系形成前在宇宙空间由气体和弥散的固体颗粒组成的星云。图示由卡麦降提出的太阳星云演化的一种假说,他认为开始时为一旋转的球状星云,然后形成一个盘状,由于强烈对流和其他机制作用,使角动量向外转移,并在其中心部分通过凝聚作用而形成太阳,由内往外形成类地行星和大行星。近年有人提出,是由于它附近的超新星爆发的辐射压力和冲击波,使之凝聚成太阳和太阳系。[1]

名词解释

星云温度只有几十 K,密度 10-20~10-8g/cm3,中心部位温度较高。星云塌缩后光度和温度急剧上升,在星云盘中心形成太阳。其他距原始太阳不同距离的物质逐渐凝聚成不同化学成分的星子。在距太阳不同区域星子吸积形成各大行星和卫星。

太阳星云是让地球所在的太阳系形成的气体云气,这个星云假说最早是在 1734 年由伊曼纽·斯威登堡提出的。在 1755 年,熟知斯威登堡工作的康德将理论做了更进一步的开发,他认为在星云慢慢的旋转下,由于引力的作用,云气逐渐坍塌和渐渐变得扁平,最后形成恒星和行星。拉普拉斯在 1796 年也提出了相同的模型;这些可以被认为是早期的宇宙论。

当初仅适用于我们自己太阳系的形成理论,在我们的银河系内发现了超过 200 个外太阳系之后,理论学家认为这个理论应该将能适用整个宇宙中的星系形成。

一般人认为,银河系的第一代恒星几乎全是由氢组成的,而第二、第三代恒星在形成的初期便含有许多种较重的核素。基于在太阳上存在许多种核素,天文学家们认为太阳是银河系中的第二或第三代恒星,太阳上的那些较重的核素就是来自银河系中的第一代恒星。天文观测表明,在银河系中存在着大量的双星系或多星系恒星,即两个或多个非常接近的恒星不仅环绕银河系的中心运行,同时还彼此相互环绕运动。

形成环境

一般人认为,银河系的第一代恒星几乎全是由氢组成的,而第二、第三代恒星在形成的初期便含有许多种较重的核素。基于在太阳上存在许多种核素,天文学家们认为太阳是银河系中的第二或第三代恒星,太阳上的那些较重的核素就是来自银河系中的第一代恒星。天文观测表明,在银河系中存在着大量的双星系或多星系恒星,即两个或多个非常接近的恒星不仅环绕银河系的中心运行,同时还彼此相互环绕运动。

形成条件

假设银河系中某个双星系或多星系中的一个质量是太阳的 10 倍以上的恒星在 80 亿年前发生超新星爆发,则其喷射出的大量物质会以球面的形态扩散开来。显然以这种方式扩散开来的物质由于以极快的速度飞向四面八方,最终甚至有可能冲出银河系,故不太可能形成太阳星云。但如果该恒星的伴星(质量是太阳的 8 倍以上)彼此相距较近,在附近超新星爆发产生的巨大冲击作用下,其外层大量物质被剥离并以相对较慢的速度呈团状飘向远处,假如被剥离物质的总量足够大,则这些被剥离的团状物质经过漫长的岁月后,就有可能在银河系中逐渐演化成一个新的星云-太阳星云,并最终从中诞生出类似于太阳的银河系的第二、第三代恒星,以及星系中包括类似地球在内的各大行星。

云团崩溃后,中心不断升温并压缩,温度高到可以使灰尘蒸发。初期的崩溃时间估计少于 10 万年。中央不断压缩使它变为了一颗质子星,原先的气体则绕着它公转。大多数气体逐渐向里移动,又增加了中央原始星的质量。也有一部分在自转,离心力的存在使它们无法往当中靠拢,逐渐形成一个个绕着中央星体公转的“添加圆盘”并向外辐射能量慢慢冷却。

第一个制动点

质子星与绕着转的气体可能不够稳定,由于自身的重力而继续压缩,这样产生了双星。如果不的话……

气体逐渐冷却,使金属、岩石和(离中央星体远处)冰可以浓缩到微小粒子(比如气体又变回成灰尘)。添加圆盘一形成,金属便开始凝结(对于某个流星的同位素测量,估计是在 45.5~45.6 亿年前),岩石凝结得较晚(44~45.5 亿年前)。

灰尘粒子互相碰撞,又形成了较大的粒子。这个过程不断进行,直到形成大圆石头或是小行星。

快速生成

较大的粒子终于大到能产生不可忽略的重力场,它们的成长也越来越快。它们的重力使小粒子的加盟变得更容易也更快,终于搜集到的质量与它们在公转轨道上运行应有的质量相符,使运行变得稳定。因为大小由距离中点的距离和质子星体密度和化学组成决定。按理论来说,太阳系内层中像月球大小的小行星是太大了,外层需要地球的 1~15 倍大小的星体。在火星与木星处有一个较大的质量跳跃:来自太阳的能量能使近距离的冰变为水蒸气,所以固态的合成的星体与太阳的距离可以大大超过临界值。这类小行星体需要二千万年形成,最远的组成时间最长。

第二个制动点

星云冷却 100 万年后,这颗星产生了强劲的太阳风,将星云中剩余的气体全部吹散。如果质子星够大,它的重力将能吸进星云中的气体,变成气态巨型星,反之,则成为一个岩石质星体或冰质星体。

这一刻,太阳系是由固态星,质子星,气态巨型星构成的。“小行星体”不断碰撞,质量也渐渐变大。数千万到数亿年之后,最终形成了 10 多个运行于稳定轨道的行星,这就是太阳系。在漫长历史中,这些行星的表面可能被极大地改变,如碰撞等。(例如大部分由金属组成的水星或月球)

演化过程

球粒陨石是太阳星云冷凝吸积的直接产物,其中的顽辉石球粒陨石具有非常特殊的岩石矿物学特征(如 CaS、MgS 等各种亲石元素硫化物的出现,SiO 在金属相的存在等),是揭示太阳星云在极端还原条件下演化的钥匙。此外, 对该类型陨石的研究还有助于认识太阳星云在径向上的物质组成变化规律。

探索的必要

对太阳星云的研究,可以帮助人类更好的了解太阳系的形成与演化,进而推动对地球起源与后来生命演化的相关研究,具有非凡的科学意义。

视频

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参考文献