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【天文學補充教材之三:太陽系】

資料取材自「中國大百科天文學」

 北京中國大百科出版社出版
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天文學常識:特邀「牛角尖」重新整理

 註:牛角尖任職於中央氣象局

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太陽系


太陽系是由太陽、行星及其衛星、小行星、彗星、流星體和行星際物質構成的天體系統。

自1755年康德提出第一個比較科學的太陽系起源的星雲說以來﹐已有四十多種學說﹐但其中還沒有一種學說是比較完整的和被普遍接受的。康德的星雲說﹐是他在31歲時匿名發表的《自然通史和天體論》(中譯本名為《宇宙發展史概論》)一書中提出的﹐但當時沒有引起公眾注意。1796年﹐法國數學和力學家拉普拉斯在《宇宙體系論》一書的附錄中﹐提出另一個星雲說﹐由於他在學術上的聲望﹐這一學說得到廣泛的傳播。於是﹐四十一年前康德的書又被人們提起﹐得到再版流傳。雖然康德和拉普拉斯兩個星雲說有許多不同點﹐但他們的主要觀點相似﹐即認為整個太陽系是由同一個原始星雲形成的。

根據對行星物質來源的看法﹐可以把各種學說分為三類﹕
1.災變說或分出說:認為行星物質是因某一偶然的巨變事件從太陽中分出的﹐例如由於另一顆恆星走近或碰到太陽﹐或者由於太陽爆發﹐從太陽分出的物質後來形成行星。
2.俘獲說:認為太陽從恆星際空間俘獲物質﹐形成原行星雲﹐後來演變成行星。
3.共同形成說:認為整個太陽系所有天體都是由同一個原始星雲形成的﹐星雲中心部分的物質形成太陽﹐外圍部分的物質形成行星等天體。
俘獲說和共同形成說的共同點是星雲集聚形成行星﹐常合稱為“星雲說”。

十九世紀末到二十世紀四十年代初﹐由於星雲說無法解釋太陽系角動量特殊分布等問題﹐各種災變說一度盛行起來﹐如英國金斯的潮汐說、傑弗里斯的碰撞說等﹐不過這些災變說基本上都被否定了。

1944年﹐蘇聯地球物理學家施米特﹐提出了關於太陽系起源的一種俘獲說──隕星說。後來﹐愛爾蘭的埃奇沃思、英國的彭德雷和威廉斯、印度的米特拉各自提出了不同的俘獲說。這些學說的共同點都是認為太陽從鄰近空間或銀河系中俘獲物質﹐最後形成了行星系。

1949年﹐美國天文學家柯伊伯提出“原行星說”﹐認為星雲盤中發生引力不穩定性﹐瓦解為一些大的氣體球──“原行星”﹐例如﹐原地球質量為現在地球的500倍﹐原木星質量為現在木星的20倍。原行星中心部分的氣體凝集成固體。離太陽較近的類地原行星的外部氣體被太陽輻射蒸發掉﹐只留下固體部分。離太陽較遠的類木原行星因質量大和溫度低﹐能夠保留一部分氣體﹐這樣就解釋了行星的物態。這一學說還認為衛星是由原行星俘獲周圍物質團塊形成的。

1962年﹐法國天文學家沙茲曼提出太陽在演化早期拋射帶電粒子﹐它們在太陽磁場作用下運動﹐能夠有效地轉移掉太陽角動量﹐許多人引用這種“沙茲曼機制”來解釋角動量特殊分布問題。沙茲曼、美國的卡梅倫、蘇聯的薩夫龍諾夫、日本的林忠四郎以及英國的霍伊爾等人的新星雲說都較詳細地論述了行星形成問題﹐在國際上比較受重視。

雖然各種學說之間有許多差別﹐但在某些方面卻又彼此相近﹐有以下幾點共同認識﹕
1. 太陽系的年齡:根據對恆星形成和演化的研究推斷﹐太陽是約50億年前由星際雲(氣體塵埃雲)瓦解後的一團小雲(原始星雲)塌縮形成的﹐它經歷了約4000萬年的引力收縮階段﹐其中包括幾百萬年的金牛座T型變星階段﹐每年約拋出千萬分之一的太陽質量。從地球和月球的古老岩石和隕石的同位素年代分析得知﹐地球和月球約在46億年前形成。因此﹐太陽系應在距今50∼46億年前形成。

2.太陽系穩定性問題:這個問題雖尚未解決﹐但根據天體力學研究推斷﹐大行星軌道在20億年前和現在沒有很大差別﹔相反﹐小天體(小行星、彗星、流星體)的軌道則發生了較大的變化。

3.大行星發生過地球史所經歷的那樣地質變化﹐因此﹐大行星現在的狀況與形成時的狀況是不同的。小天體形成以來變質過程較少﹐保留了較多的形成時的信息。因此﹐近年來特別注意小天體的研究。

4.由於碳質球粒隕石的難揮發元素的豐度與太陽大氣相近似﹐木星的化學組成與太陽大致相同﹐一般認為原始星雲的化學組成最初是較均一的。

5.月球、水星和火星上的大多數凹坑﹐是39億年前隕星撞擊形成的。一般認為星雲盤內的固體顆粒(塵粒和冰粒)先沉降到赤道面﹐形成塵層。隨著密度的增加﹐便在塵層內形成星子。

6.一般認為行星系統的起源與太陽早期演化有關﹐太陽磁場通過磁耦合機制和沙茲曼機制使太陽角動量轉移﹐造成太陽系角動量的特殊分布。

綜合迄今為止的觀測資料﹐得到太陽系的主要特徵如下﹕
1.在太陽系中﹐太陽的質量佔太陽系總質量的絕大部分(99.8%)﹐其他天體的質量總和只有太陽的約0.2%。太陽的引力控制著整個太陽系﹐使其他天體繞太陽公轉。太陽是有熱核能源輻射的發光恆星﹐其他天體都沒有核能源輻射(巨行星有紅外輻射熱源)。

2.九大行星都在接近同一平面的近圓形軌道上﹐朝同一方向繞太陽公轉﹐這就是行星軌道運動的共面性、近圓性和同向性。但各行星軌道並不是完全共面﹐而是對不變平面 有不大的傾角﹔軌道也不是正圓﹐而都是偏心率不大的橢圓﹔其中冥王星和水星的傾角和偏心率較大。太陽也朝同一方向自轉﹐太陽赤道面對不變平面傾角為 5°56'。
為了決定行星在任何時刻的位置就需要六個相互獨立的量﹐其中五個決定軌道橢圓的空間位置﹐一個決定行星在某一特定時刻在軌道上的位置。這六個量稱為行星的軌道要素或軌道根數。習慣上這六個量是 軌道傾角i ;昇交點黃經Ω ;近日點角距ω ;軌道的半長徑a ; 偏心率e ;行星經過近日點的時刻τ 。由於攝動(其他行星引力的影響)﹐各行星的軌道要素在緩慢地發生變化。

3.行星自轉的快慢以“恆星周期”來表示﹐它是用天球上固定的一參考點(春分點)來度量行星自轉一周的時間。例如﹐地球自轉的恆星周期是 23小時56分4.1秒﹐比日常所用的一晝夜(24小時)約短 4分鐘。行星自轉的方向以行星自轉軸對公轉軸的傾角來表示(按右手螺旋法則)﹐傾角小於90°者稱為正向自轉﹐傾角大於90°者稱為反向自轉。九大行星大多是正向自轉﹔只有金星是反向自轉﹐而天王星幾乎是躺在它的公轉軌道面上作側向自轉。

4.三類行星的平均密度分布特點是﹕類地行星大﹐遠日行星次之﹐巨行星小﹔行星的大小和質量的分布特點是﹕巨行星大﹐類地行星和遠日行星小。

5.在太陽系中﹐質量佔99.8%以上的太陽的角動量只佔1%左右﹔而質量不到0.2%的其他天體的角動量總和卻佔99%左右﹐這就是太陽系角動量的特殊分布問題。

6.除了水星和金星﹐其他行星都有衛星繞轉﹐構成衛星系。

7.在火星和木星軌道之間﹐有許多小行星﹐其質量總和約等於地球的萬分之四﹐而且質量越小的數目越多。它們的軌道傾角和偏心率彼此相差較大﹐自轉周期多為2小時到16小時。小行星可分為性質不同的兩類﹕石質的和碳質的。此外﹐在地球軌道附近、木星軌道附近甚至土星和天王星軌道之間也發現有小行星。還發現幾顆小行星也有衛星。

8.已發現的彗星超過1600顆﹐它們的軌道傾角和偏心率彼此相差很大﹐有些彗星的軌道是拋物線﹐甚至是雙曲線。有些彗星(主要是長周期彗星和非周期彗星)是逆向公轉的。

9.太陽系中還有數量眾多的大小流星體﹐有些流星體是成群的﹐稱為流星群﹐已證實一些流星群是彗星瓦解的產物(流星雨)。大流星體降落到地面成為隕石。隕石又分為石隕石、鐵隕石和石鐵隕石三大類。隕石中含有許多種礦物岩石﹐還發現了有機物。此外﹐行星際還有稀疏的微塵粒和氣體﹐集中於黃道面附近﹐產生黃道光。太陽不斷地向行星際拋出等離子體﹐構成太陽風﹐它們耦合著磁場。

從地球上來看﹐行星在以恆星組成的各個星座的天空背景上﹐有明顯的相對移動﹐而且這種移動幾乎都沿著黃道進行。行星有一定的視圓面﹐所以在大氣抖動下﹐不像點狀恆星那樣有星光閃爍現象。如果仔細對比﹐還可以發覺各行星有其顏色特徵﹐在不同的時候亮度也有變化。經常觀察還可以發現它們在群星之間時現、時隱、時進、時退﹐行星一詞的原意指這種在天空上遊盪的天體﹐這個詞在希臘語中的含義是“流浪者”的意思。

在離太陽較近的恆星中就發現許多顆恆星有波狀的自行軌跡﹐說明這些恆星也可能帶有一個或幾個行星。因此﹐行星不是太陽系特有的。為了引伸行星的普遍定義﹐某些天體物理學家認為﹐對行星必須加上質量不超過0.07太陽質量﹐即未達到能產生熱核反應的主序星下限這個限制條件。這就是說質量的不同才是行星同恆星最本質的區別。

九大行星所佔的空間範圍﹐其半徑不到50天文單位﹐即使認為在離太陽10∼15萬天文單位處存在“彗星雲”﹐作為太陽系的半徑﹐整個太陽系也只是銀河系的極微小部分。離我們最近的恆星(半人馬座比鄰星)的距離有20多萬天文單位。太陽只是銀河系中上千億個恆星中的一個﹐它離銀河系中心約1萬秒差距﹐偏離銀道面北約 8秒差距。太陽帶著整個太陽系繞銀河系中心轉動。

彗星在扁長軌道(極少數在近圓軌道)上繞太陽運行的一種質量較小的天體﹐呈雲霧狀的獨特外貌。當它遠離太陽時﹐呈現為朦朧的星狀小暗斑﹐其較亮的中心部分叫作“彗核”。彗核外圍的雲霧包層稱為“彗發”﹐它是在太陽的輻射作用下由彗核中蒸發出來的氣體和微小塵粒組成的。彗核與彗發合稱為“彗頭”。當彗星走到離太陽相當近的時候﹐彗發變大﹐太陽風和太陽的輻射壓力把彗發的氣體和微塵推開生成“彗尾”。自1970年以來﹐地球大氣外觀測發現三顆彗星的彗發外面還有氫原子雲﹐稱為“彗雲”或“氫雲”。彗雲包圍著彗發﹐其直徑為100∼1000萬公里。大彗星的質量可達10^16噸﹐小彗星質量只幾十億噸。彗核的平均密度約1克/厘米^3﹐有些彗核的密度可能更大些﹐也有一些彗核密度或許只有0.01克/厘米^3。彗發的體積隨彗星離太陽的距離而變化﹐其直徑比彗核大得多﹐一般有幾萬公里﹐有的達到180萬公里(例如1811年的大彗星)﹐比太陽還大﹔但彗發的質量很小﹐物質很稀薄。

彗星的軌道有橢圓 (偏心率e <1)﹐拋物線(e =1)和雙曲線(e >1)三種類型。彗星走過行星(特別是質量大的木星)附近﹐會受到行星的攝動而改變軌道。大部分具有雙曲線和拋物線軌道的彗星如果沒有受到攝動﹐它們原來的軌道往往是偏心率接近1的橢圓。這表明它們也是太陽系的成員﹐或許只有少數彗星來自太陽系外。

在橢圓軌道上運動的彗星稱為“周期彗星”﹐它們周期地繞太陽公轉。在拋物線或雙曲線軌道上運動的彗星稱為“非周期彗星”﹐它們繞太陽轉個彎就一去不復返了。公轉周期短於 200年的彗星稱為“短周期彗星”﹐它們走近太陽和地球的次數較多﹐觀測資料較豐富、準確。這些彗星的軌道面對黃道面的傾角較小﹐絕大多數與行星同一方向繞太陽公轉(順行)﹐但也有少數例外﹐如著名的哈雷彗星軌道面對黃道面的傾角約為162°﹐是一顆逆行彗星。公轉周期大於200年的彗星稱為“長周期彗星”﹐它們的軌道很扁長﹐e 大於0.96而略小於1﹐接近拋物線﹐要幾百、幾千年甚至更長時間才走近太陽一次。它們的軌道延伸到九大行星範圍以外很遠﹐軌道面的取向是隨機分布的﹐順行和逆行的都有。

少數大而亮的彗星走到土星軌道附近時﹐就可以從大望遠鏡中看到彗尾﹐但一般彗星要走到離太陽三個天文單位左右才能從望遠鏡中看到彗尾﹐這時彗星只有暗星狀彗核及其周圍朦朧的彗發。當它走到離太陽兩個天文單位左右時﹐開始產生彗尾﹐離太陽更近時﹐彗尾顯著地變長變大。當它過近日點之後離開太陽越走越遠時﹐彗尾也逐漸縮小。彗尾的體積很大﹐大彗尾長達上億公里﹐寬度從幾千公里甚至到2000多萬公里﹐但物質是極稀薄的(密度只有地面上空氣的十億億分之一)。當彗發和彗尾遮掩恆星時﹐一般星光不因此而減弱或偏折﹐但有時也觀測到星光閃爍。1910年﹐哈雷彗星的彗尾曾“掃”到地球﹐地球上毫無異常現象。彗發和彗尾的總質量一般只佔彗星質量的1∼5%左右。彗尾形狀多種多樣﹐一般總是向背離太陽方向延伸﹐而且常常有兩條以上。彗尾可分為兩類﹕一類彗尾較直﹐由離子氣體組成﹐稱為“離子彗尾”或“氣體彗尾”﹐又稱Ⅰ型彗尾。這類彗尾是太陽風的很強斥力作用於彗星中的離子形成的。另一類是彎曲的﹐由微塵組成﹐呈黃色﹐稱為“塵埃彗尾”﹐彎曲程度較小的又稱Ⅱ型彗尾﹐彎曲程度很大的稱為Ⅲ型彗尾。這類彗星是太陽光子的輻射壓力推斥微塵而形成的。

1949年﹐美國天文學家惠普爾提出“冰凍團塊模型”。他認為彗核是“臟雪球”﹐由冰凍的母分子和夾雜的細塵粒組成。後來有的學者進一步發展了這種模型﹐認為彗星走近太陽時﹐太陽加熱作用使彗核表面的冰昇華為氣體﹐向外膨脹﹐同時帶出微塵﹐形成彗發和彗尾。彗星每次走近太陽時﹐僅僅彗核表面層被蒸發﹐內部仍保持冰凍態﹐因而壽命可達幾千個公轉周期﹐彗星會由於太陽等天體施加的起潮力而逐漸瓦解﹐形成流星群(流星雨)。彗星本身還有自轉﹐自轉周期為數小時。由於彗核自轉以及各層熱傳導的時間滯延﹐氣體不對稱地放出﹐產生“火箭噴射”效應﹐這就可以解釋恩克彗星的加速和阿雷斯脫彗星的減速運動現象。

關於彗星的起源問題﹐看法很多﹐到現在還沒有一致的意見﹐其中以原雲假說最為著名。荷蘭學者奧爾特在二十世紀五十年代統計得出﹐長周期彗星軌道半長徑為 3萬到10萬天文單位。他因此提出太陽系邊遠區有個彗星儲庫──“彗星雲”﹐又稱奧爾特雲(Oortcloud)﹐為說明觀測到的“新”(出現)彗星的頻數﹐他估計那裡有1000億顆彗星﹐其總質量比地球質量小。彗星雲中的彗星長久地遠離太陽﹐繞太陽公轉一周要幾百萬年。由於它們處於太陽與其他恆星之間﹐恆星引力攝動使一部分彗星軌道改變﹐進入太陽系內部。它們與大行星(主要是木星)相遇時﹐有一些被攝動而變為短周期彗星──“新”彗星﹐另一些可能被拋出太陽系。

每年可有幾次看到許多流星從星空中某一點(叫作輻射點)向外輻射散開﹐這種現象叫作流星雨﹐這是地球遇到流星群的結果。按照現在一般的看法﹐流星群是由周期彗星散射出來的質點或由瓦解了的彗核形成的。

在太陽系中﹐有千千萬萬不同大小的流星體﹐沿著橢圓的軌道繞太陽運動﹐在經過地球附近時﹐由於受到地球引力的攝動﹐便改變軌道﹐向地球接近﹐如果它的軌道穿過地球大氣﹐便可觀測到流星現象。通常觀測到的流星﹐其本體在進入大氣之前﹐體積不比砂粒和小石子大﹐但是具有很高的動能。有的流星體較大﹐與地球相遇落到地球表面﹐就是人們看到的隕石﹐有的隕石會發生爆裂。爆裂後的許多隕石碎塊落向地面﹐這種現象稱為隕石雨。

觀測表明﹐流星體相對於地心的速度上限為每秒72公里﹐下限為每秒11公里。這兩個極限速度都是流星體循拋物線軌道繞太陽運行時產生的﹐差別在於﹕前者是流星體和地球迎面相遇﹐後者是流星體趕上地球。流星體圍繞太陽旋轉的軌道絕大多數是橢圓﹐拋物線很少﹐雙曲線則幾乎沒有。這一事實表明﹐流星體是太陽系內的天體。

當流星體高速衝入地球大氣層時﹐其前端的空氣受到強烈壓縮﹐溫度陡昇到幾千度甚至上萬度﹐使隕石表面的物質熔化和氣化。這些氣化物質仍和隕石一起以很高速度往前沖﹐與地球大氣的分子激烈碰撞而發光﹐形成耀眼的火球﹐稱為火流星。有的火流星在夜晚能把廣大區域照得如滿月之夜﹐甚至如同白晝。火球一般在135公里以下的高度開始發亮﹐到10公里以上的高度消失。在火球消失後一分鐘到幾分鐘內﹐人們可能聽見霹靂般的爆炸聲和雷鳴般的隆隆聲。有時地震儀能記錄到較大隕石的衝擊波信號和隕石落地時產生震動的信號。

大多數隕石質量不大﹐隕落時受到大氣的阻力﹐落地前的速度已減小﹐一般為每秒幾十米到300米左右﹐因此形成的隕石坑較小較淺。而當一個非常大的隕石與地球相遇時﹐大氣的減速作用不夠﹐隕石就會以高速與地面相撞﹐巨大的動能在一瞬間釋放出來﹐將大部分隕石物質和碰撞點附近大量的地面物質完全粉碎並氣化﹐形成一個大隕石坑﹐坑的直徑比隕石大得多﹐有的很像爆炸坑。隕石和地球物質的碎片和熔化滴粒散布在隕石坑周圍的廣大區域。美國的亞利桑那隕石坑﹐坑的直徑達1240米﹐深達170多米﹐坑的四周比附近地面高出40米左右。經過考察和分析得知﹐這個隕石坑是大約兩萬年前﹐由一個直徑約60多米、重10多萬噸的鐵隕石以每秒20公里左右的速度撞擊而成的。

1908年 6月30日發生了著名的通古斯隕星事件。這天早晨﹐在俄國西伯利亞上空突然出現了一個大火球﹐比太陽還亮﹐同時發出震耳欲聾的爆炸聲﹐在1000公里以內都可以聽到。隕星的衝擊波摧毀了幾百平方公里的森林﹐樹木大片大片地倒下﹐各個地球物理觀測站的地震儀記下了這次不平常的地震﹐並記錄了繞行地球兩圈的、強烈的空氣衝擊波。據推測這可能是一顆直徑約70多米的小彗星的冰核與地球相遇造成的。

近年來﹐發現隕石中的同位素組成﹐有明顯的異常。這種異常的原因可能是當星雲在凝聚形成行星和隕石母體時﹐有鄰近超新星爆發的產物進入其中﹐使星雲受到污染﹔或者在星雲中殘存著“前太陽”的組成成分﹐而星雲的分餾、凝聚過程又沒有稀釋或消除這種影響。因此﹐太陽系的物質來源有可能不是單一的。

行星際空間雖然空空盪盪﹐但並非真空﹐其中分布著極稀薄的氣體和極少量的塵埃。行星際質點主要是電子、質子以及氦、碳、氮、氧和重元素的核。在地球軌道附近的行星際空間中﹐每立方厘米平均約含有五個正離子(絕大部分為質子)和五個電子。此外﹐還充斥著來自太陽、行星以及太陽系以外的電磁波。

從地面觀測得知存在行星際物質的根據是﹕黃道光﹐彗尾氣體中的加速現象。前者黃道光是太陽光被行星際物質中質量小於10^(-6)克的質點所散射而造成的﹔後者可用太陽風的作用加以解釋。目前已經清楚﹐太陽風是行星際物質的主要來源﹐除太陽風以外﹐彗星的碎裂、小行星的瓦解以及流星體和宇宙塵等都構成行星際物質的補充來源。太陽風是從日冕發出的一種等離子流。日冕具有一、二百萬度的高溫﹐甚至連太陽那樣強的引力也無法永遠維繫這種熾熱氣體。因此﹐就某種意義上說﹐行星際物質可以看作是日冕的稀薄的延伸。

0最後修改紀錄: 2004/02/17(Tue) 15:50:21


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