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系外行星的發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)既有理論，演化過程仍然是謎 太陽系的誕生，幾十億年前，在由數(shù)千億顆恒星組成的浩瀚銀河系的一個角落里，一顆新的恒星誕生了—它就是我們賴以生存的太陽。之后，在太陽周圍形成了幾顆行星，其中的一顆孕育了不計其數(shù)的生命，這就是地球。 地球生命在漫長的演化過程中，最終演化出了智慧生命—人類。人類在地球上繁衍生息幾百萬年，建立了高度發(fā)達的文明，并推動了科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，從而解開了自然界中的很多難解之謎。但是，人類一直在不懈地探索一個問題：我們生活的家園太陽系，是如何誕生又是如何演化的呢？令人遺憾的是，直到今天，我們依然無法很好地回答這個問題。雖然我們對太陽系的誕生和演化歷史有了一個大概的了解，但是仍然有許多未解之謎有待破解。 大約20年前，科學(xué)家在太陽及其他恒星的周圍發(fā)現(xiàn)了系外行星后，有關(guān)太陽系形成的理論陷入了一片混亂的局面，并引發(fā)了激烈爭論。系外行星這一新“樣本”的發(fā)現(xiàn)，使得科學(xué)家意識到，有必要重新修改和完善行星形成理論。 下面，就讓我們一邊追尋太陽系的誕生故事，一邊親身體驗和思考一下令科學(xué)家倍感困惑的難解之謎。 太陽系有八大行星，它們都按照接近圓形的軌道繞著太陽公轉(zhuǎn)。其中，水星、金星、地球和火星位于太陽系內(nèi)側(cè)（靠近太陽），主要由巖石構(gòu)成，屬于較小的“巖質(zhì)行星”。位于外側(cè)的木星和土星則主要由氫氣構(gòu)成，屬于“氣態(tài)巨行星”。天王星與海王星距離太陽更遠，是主要由冰構(gòu)成的“冰態(tài)巨行星”。 太陽系的誕生 
太陽系哈雷彗星 
文/科學(xué)世界/翻譯/魏俊霞 不斷發(fā)現(xiàn)“奇異”的系外行星 太陽系的誕生，1995年，科學(xué)家首次確認了系外行星（太陽系以外的行星）的存在，從而開啟了行星研究的新紀元。此后，科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百顆太陽系外行星，它們擁有令人難以想象的神秘特征，存在著許多奇異之處。例如，熱木星型（Hot Jupiter，參照右頁下圖）天體。熱木星是類似木星的氣態(tài)巨行星，它的公轉(zhuǎn)軌道非?？拷行暮阈?，甚至比太陽系最內(nèi)側(cè)的水星還要靠近恒星。還有偏心軌道行星（Eccentric planet），它的公轉(zhuǎn)軌道離心率極大，呈很扁的橢圓形。 多姿多彩的系外行星讓科學(xué)家意識到，以太陽系為“母本”所構(gòu)建的行星形成理論，不應(yīng)該僅僅適用于太陽系，還迫切需要“擴展”到太陽系之外的行星系，“升級”到能夠統(tǒng)一解釋行星形成的高度。 同時，隨著計算機技術(shù)和計算能力的提高，科學(xué)家可以更加精準地進行模擬計算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本以為已經(jīng)非常完善的太陽系形成理論，竟然存在著許多矛盾之處和未解之謎。如今，有關(guān)太陽系形成理論的研究處于一片混亂的局面和紛爭之中。 不過，話說回來，這種混亂和爭執(zhí)，或許正是激發(fā)科學(xué)家的靈感和熱情，推動科學(xué)發(fā)展的巨大動力呢。 行星不一定一直繞著同一軌道公轉(zhuǎn)！ 太陽系的誕生，首先，讓我們了解一下太陽系的基本信息。太陽系八大行星都位于差不多同一平面的近圓軌道上運行，朝同一方向繞太陽公轉(zhuǎn)。 其次，讓我們來看看各行星到太陽的距離。在天文學(xué)上，把太陽到地球的平均距離（大約1.496億公里）定義為1天文單位（AU，astronomical unit）。水星與太陽的距離大約是0.39AU（太陽到地球距離的大約0.39倍)，金星大約是0.72AU，地球是1.0AU，火星約為1.5AU，木星約為5.2AU，土星約為9.6AU，天王星約為19AU，最外側(cè)的海王星大約為30AU。 此外，水星、金星和火星是巖質(zhì)行星，它們的質(zhì)量都比地球小。木星、土星、天王星及海王星的質(zhì)量分別是地球的大約320倍、95倍、15倍、17倍。 不得不認為“行星遷移了” 如前文所述，系外行星的發(fā)現(xiàn)使得科學(xué)家意識到，有必要重新修改太陽系的形成理論。下圖描繪了迄今為止所發(fā)現(xiàn)的，軌道和質(zhì)量都已確定的系外行星離中心恒星的距離及其質(zhì)量。 仔細觀察藍色橢圓內(nèi)的區(qū)域，我們就會清晰地發(fā)現(xiàn)：在非?？拷行暮阈堑牡胤椒植贾鴶?shù)量眾多的行星。與太陽系相比，這些行星的位置更靠近中心恒星。研究認為，這種中心恒星的附近并沒有足夠的形成行星所需的材料物質(zhì)。然而，這里卻實際存在著大量的行星，這一矛盾令科學(xué)家感到無比困惑。 為了解釋這一矛盾，科學(xué)家不得不假設(shè)在外側(cè)形成的行星出于什么原因向內(nèi)側(cè)遷移了，也不得不假設(shè)系外行星所帶來的最大影響就是“行星的遷移”。 太陽系的構(gòu)成 太陽系的中心是太陽，雖然它只是一顆中小型的恆星，但其質(zhì)量已占據(jù)整個太陽系總質(zhì)量的99.85%；余下質(zhì)量中包括行星與它們的衛(wèi)星、行星環(huán)，還有小行星、彗星、柯伊伯帶天體、外海王星天體、理論中的奧爾特云、行星間的塵埃、氣體和粒子等行星際物質(zhì)。整個太陽系所有天體的總表面面積約為17億平方千米。太陽以自己強大的引力將太陽系中所有的天體緊緊地控制在他自己周圍，使它們井然有序地圍繞自己旋轉(zhuǎn)。同時，太陽又帶著太陽系的全體成員圍繞銀河系的中心運動。 太陽系內(nèi)的行星現(xiàn)被定義為八顆，依距太陽由近至遠依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，後四顆行星還各自有環(huán)系統(tǒng)。而相對於月球較小的被定義為矮行星，如冥王星。參見2006年行星重定義。另外還有各種「太陽系內(nèi)的小天體」，包括各行星、小行星與矮行星的衛(wèi)星、於火星與木星之間公轉(zhuǎn)的眾多小行星、彗星、海王星外天體（TNOs，如齊娜）與流星體等其他零碎天體。 太陽系中的各個天體主要由氫、氦、氖等氣體，冰（水、氨、甲烷）以及含有鐵、硅、鎂等元素的巖石構(gòu)成。類地行星、地球、月球、火星、木星的部分衛(wèi)星、小行星主要由巖石組成；木星和土星主要由氫和氦組成，其核可能是巖石或冰。 太陽系的起源和演化 另請參看太陽系起源、太陽系形成年齡 一般以為行星系統(tǒng)是恒星形成過程的一部分，但是也有學(xué)者認為這是兩顆恒星差一點撞擊而成。最普遍的理論是說太陽系是從星云形成。 恒星形成的基本過程為此： 星云中較密的核心部分變得太重，重心不穩(wěn)定，開始分裂和崩潰墜落。一部分的重心能量變?yōu)榉派涞募t外線，剩下的增加核心的溫度。核心部分開始成為圓盤形狀。 當(dāng)密度和溫度道足夠高， 氘融合燃燒開始發(fā)生，輻射的向外壓力減慢(但不中止)臨近其他核心崩潰。 其他的原料繼續(xù)下落到這一顆原恒星，它們的角動量的作用可能導(dǎo)致雙極流程。 最后，氫開始熔化在星的核心，外面剩余的包圍材料被清除。 太陽星云這個假說，是1755年由伊曼努爾·康德提議。他說，太陽星云慢慢地轉(zhuǎn)動，由于重力逐漸凝聚并且鋪平，最終形成恒星和行星。一個相似的模型在1796年由拉普拉斯提出。 太陽星云開始直徑大約100AU，質(zhì)量是現(xiàn)在太陽的兩三倍。在這個星云中，比較重的物質(zhì)往中間落，積聚成塊，是成為以后的行星。而星云外部越來越冷，因此靠里的行星有很多重的礦物質(zhì)，而靠外的行星是氣體或冰體。原太陽大約在46億年前形成，以后八億年中各個行星形成。 太陽系的運動 太陽系是銀河系的一部分。銀河系是一個螺旋形星系，直徑十萬光年，包括兩千多億顆星。太陽是銀河系較典型的恒星，離星系中心大約兩萬五千到兩萬八千光年。太陽系移動速度約每秒220公里，兩億兩千六百萬年在星系轉(zhuǎn)一圈。 太陽系中的八大行星都位于差不多同一平面的近圓軌道上運行，朝同一方向繞太陽公轉(zhuǎn)。除金星以外，其他行星的自轉(zhuǎn)方向和公轉(zhuǎn)方向相同。 彗星的繞日公轉(zhuǎn)方向大都相同，多數(shù)為橢圓形軌道，一般公轉(zhuǎn)周期比較長。 對太陽系的探索與研究 人類出于對自身生存環(huán)境了解的渴望以及日益緊張的地球資源，從1959年開始不斷的通過空間探測器等進行空間探測，研究太陽系。目前主要集中在月球和火星的探測以及小行星和彗星的探測。 對太陽系的長期研究，分化出了這樣幾門學(xué)科： 太陽系化學(xué)：空間化學(xué)的一個重要分科，研究太陽系諸天體的化學(xué)組成（包括物質(zhì)來源、元素與同位素豐度）和物理－化學(xué)性質(zhì)以及年代學(xué)和化學(xué)演化問題。太陽系化學(xué)與太陽系起源有密切關(guān)系。 太陽系物理學(xué)：研究太陽系的行星、衛(wèi)星、小行星、彗星、流星以及行星際物質(zhì)的物理特性、化學(xué)組成和宇宙環(huán)境的學(xué)科。 太陽系內(nèi)的引力定律：太陽系內(nèi)各天體之間引力相互作用所遵循的規(guī)律。 太陽系穩(wěn)定性問題：天體演化學(xué)和天體力學(xué)的基本問題之一 太陽系和其他行星系 雖然學(xué)者同意另外還有其他和太陽系相似的天體系統(tǒng)，但直到1992年才發(fā)現(xiàn)別的行星系。至今已發(fā)現(xiàn)幾十個行星系，但是詳細材料還是很少。這些行星系的發(fā)現(xiàn)是依靠多普勒效應(yīng)，通過觀測恒星光譜的周期性變化，分析恒星運動速度的變化情況，并據(jù)此推斷是否有行星存在，并且可以計算行星的質(zhì)量和軌道。應(yīng)用這項技術(shù)只能發(fā)現(xiàn)木星級的大行星，像地球大小的行星就找不到了。 此外，關(guān)于類似太陽系的天體系統(tǒng)的研究的另一個目的是探索其他星球上是否也存在著生命。 太陽、八大行星、三個矮行星的一些對比 太陽與八大行星及三個矮行星數(shù)據(jù)表（順序以距離太陽由近而遠排列），赤道直徑以地球直徑12756公里為1單位，衛(wèi)星數(shù)截至2006年5月，距離與軌道半徑以1天文單位（AU）為單位。 種類 天體 赤道直徑（地球=1） 質(zhì)量（地球=1） 軌道半徑（AU） 軌道傾角（度） 公轉(zhuǎn)周期（地球年） 自轉(zhuǎn)周期（地球天） 已發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星數(shù) 恒星 太陽 109 333,400 -- -- -- 27.275 -- 類地行星 水星 0.382 0.05528 0.38710 7.0050 0.240852 58.6 0 金星 0.949 0.82 0.72 3.4 0.615 243.0185（逆向自轉(zhuǎn)） 0 地球 1.00 1.00 1.00 0 1.00 0.9973 1 火星 0.53 0.11 1.52 1.9 1.88 1.0260 2 矮行星 穀神星 0.15 2.5-2.9 10.6 4.6 0 類木行星 木星 11.2 318 5.20 1.3 11.86 0.4135 63 土星 9.41 95 9.54 2.5 29.46 0.444 56 (有34顆已命名) 天王星 3.98 14.6 19.22 0.8 84.01 0.7183 27 海王星 3.81 17.2 30.06 1.8 164.79 0.6713 13 矮行星 冥王星 0.18 0.0021 29.6-49.3 17.1449 248.6452 6.3872 3 厄裡斯 0.19 37.8-97.6 44.187 557 1 “水內(nèi)行星” 天文學(xué)家曾發(fā)現(xiàn)離太陽最近的水星有一些牛頓力學(xué)無法解釋的微小運動，天文學(xué)家懷疑可能有一個比水星更靠近太陽的行星的引力引起的，并用一個火神的名字給這個行星起名為“祝融星”（中文常譯為“火神星”），但天文學(xué)家們觀測了五十多年仍然未找到這顆行星。 這個牛頓力學(xué)無法解釋的微小運動，已被科學(xué)家愛因斯坦的廣義相對論解釋。廣義相對論的引力理論解釋了水星的特殊運動（稱「水星近日點進動」），但某些天文學(xué)家仍未放棄對“水內(nèi)行星”的探尋。 其他資料 太陽系內(nèi)眾多包含固態(tài)表面，而其直徑超過1公里的天體，它們的總表面積達17億平方公里。 有人認為太陽其實是一個 雙星系統(tǒng)的主星，在遙遠的地方存在著一個伴星，名為「 涅米西斯」（Nemesis，有譯作復(fù)仇女神）。該假設(shè)是用作解釋地球出現(xiàn)生物大滅絕的一些規(guī)則性，認為其伴星會攝動系內(nèi)奧爾特雲(yún)中的小行星和彗星，使其改變軌道衝進太陽系，增加撞擊地球的機會並出現(xiàn)定期生物滅絕。 太陽系的誕生（下） 
超新星爆發(fā) 
成功登陸火星并展開探測任務(wù)的“好奇號”探測車 
環(huán)繞土星的美麗光環(huán) 太陽系的分子云核是怎樣形成的？ 讓我們了解一下“孕育”了整個太陽系的分子云核。在大約46億年前，太陽系的“源頭”——分子云核是怎樣形成的，如今依然沒有一個令人信服的結(jié)論。一種觀點認為，也許分子云中本來就有密度較高的地方，在自身引力的作用下又將周圍的物質(zhì)“據(jù)為己有”，最終形成了分子云核；或者在分子云內(nèi)，密度較高的區(qū)域相互碰撞，從而形成了分子云核。 另外一種觀點則認為，約46億年前的超新星爆發(fā)“觸發(fā)”了太陽系分子云核的形成。超新星爆發(fā)所產(chǎn)生的沖擊波將分子云壓縮，使得部分區(qū)域的密度變大，最終形成了分子云核。科學(xué)家通過分析墜落到地球的隕石（微行星的殘?。┌l(fā)現(xiàn)，隕石中“封存”了太陽系里形成最早的固體物質(zhì)——大約46億年（也就是太陽系誕生的時期）前超新星爆發(fā)所產(chǎn)生的塵埃（粒子）。這也意味著，在大約46億年前太陽誕生的時候，很可能鄰近恰巧有一顆超新星發(fā)生了爆炸。不過，科學(xué)家并不確定這次的超新星爆發(fā)到底是不是形成“孕育”了太陽系的分子云核的直接原因。 超新星爆發(fā)是指質(zhì)量超過太陽8倍左右的巨大恒星在生命最后時刻的大爆炸（見上期）。恒星的壽命與其質(zhì)量密切相關(guān)，質(zhì)量越大壽命越短。誕生于某個分子云的巨大恒星在幾百萬年后發(fā)生超新星爆發(fā)，并對鄰近分子云造成巨大影響的事件還是很有可能發(fā)生的。 通過超新星爆發(fā)來推斷分子云的規(guī)模？ 一般來說，形成足以引發(fā)超新星爆發(fā)的巨大恒星（大質(zhì)量的恒星）的幾率并不太高。研究認為，恒星的物質(zhì)材料——分子云的總質(zhì)量越大，才有更多的機會形成大量的恒星，并最終誕生大質(zhì)量的恒星。這有助于準確推斷整個分子云的質(zhì)量。在孕育了太陽系的分子云核附近發(fā)生了超新星爆發(fā)這一事件也意味著，它所屬的分子云形成足以引發(fā)超新星爆發(fā)的大質(zhì)量恒星的幾率非常高，即，它很可能是一塊質(zhì)量較大的分子云。這也成為“太陽有許多兄弟”（將在第78～79頁介紹）的間接證據(jù)。隕石分析的結(jié)果還表明，在太陽系附近發(fā)生的超新星爆發(fā)并非只是一顆，而是兩顆以上。隨著隕石分析技術(shù)的進步，科學(xué)家從珍稀的樣本中不斷“捕捉”到更多的“遠古信息”，我們期待著今后有令人欣喜的新發(fā)現(xiàn)。 太陽有1000個誕生于同一分子云的“兄弟”! ？ 太陽距離鄰近的恒星足足有好幾光年之遙。在廣袤無垠的宇宙空間里，太陽是如此孤單嗎？ 眾所周知，夜空中分布著各種各樣的星團。此外，科學(xué)家還通過觀測銀河系內(nèi)各式各樣的分子云發(fā)現(xiàn)，一個分子云中誕生了多個恒星。也就是說，一個分子云（母親）“孕育”多個“兄弟星”的情況是非常普遍的，因此，太陽也應(yīng)該有很多的“兄弟星”。 研究認為，誕生于同一分子云的“兄弟星”數(shù)量甚至可以高達1000個。在誕生之初，這些“兄弟星”相互離得很近?？墒请S著時間的推移，它們離得越來越遠。天文學(xué)上把這種成員星之間的距離原本很近，卻不斷離去的星團稱為“疏散星團”。昂星團是最具代表性的疏散星團。隨著時間的流逝，兄弟星之間相距過于遙遠，分布過于稀疏零散，幾乎稱不上星團了。 太陽的“兄弟們”全部下落不明 現(xiàn)在，太陽的“兄弟星”都在哪里呢？人們熟知的北斗七星所在的星座——大熊座是離太陽最近的星團，距離太陽大約80光年。需要說明的是，太陽并不是大熊座的成員。大熊座恒星們的年齡大約為5億歲，太陽則誕生于大約46億年前，因此，它們與太陽毫無關(guān)系，只不過現(xiàn)在偶爾“路過”太陽系罷了。 令人遺憾的是，沒有人知道太陽的那些“兄弟們”現(xiàn)在到底在哪里。不過，或許我們在不久的將來能找到它們的蹤跡。2013年，歐洲空間局發(fā)射了“蓋亞”號觀測衛(wèi)星，以前所未有的規(guī)模和精度對恒星的位置和運動方向等進行測量，并繪制迄今最精確的銀河系三維地圖?？茖W(xué)家將對蓋亞號傳來的數(shù)據(jù)進行分析，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)讓“時光倒流”，從而尋找過去與太陽幾乎位于同一位置的“兄弟們”到底去了哪里。如果能夠獲得太陽“兄弟們”的信息的話，這些信息也許會成為推斷太陽的“搖籃”——分子云狀態(tài)的有力線索，從而解開太陽系的誕生之謎。 |
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