细说太阳系的形成,演化和吸积模型,星系为何是扁平状带自旋?

上篇文章我们盘了盘太阳的性质,核聚变的过程,太阳年龄的计算。想了解的伙伴们可以戳下面链接:

一口气看完有关太阳的那些事,以及人类目前观测天体的手段

关于我们的太阳系大家平时主要的疑问是:

  • 星云是如何坍缩成恒星的?
  • 行星是怎样形成的?
  • 我们看到的天体和星系为什么都是扁平状的且自旋?
  • 地热形成的机制及争议
  • 科学家预言的吸积模型有证据吗?
  • 太阳系为何会有两组主要的行星结构?(岩石行星和气态行星)

那么,带着这些疑问让我们继续畅游太阳系.........

可见光和红外线合成图像中的整个猎户座星云;由哈勃太空望远镜拍摄。

银河系含有大量不发光的物质,通常很难被探测到。但它可能被附近的恒星照亮。这张图片显示的是猎户座中的一个黑暗物质区域,被隐藏在它后面的恒星和前面的恒星照亮。这是一个由气体和尘埃组成的星云的例子。从可见光光谱和射电光谱可以看出,这种气体主要是氢。星际尘埃和光的相互作用表明它是由“冰和尘”的小颗粒构成的,注意中间和右下角的两颗明亮的蓝色恒星。它们的颜色表明它们是新生恒星,就像这个星云中的许多其他恒星一样。

太阳和太阳系行星由气体(主要是氢和一些氦)和尘埃形成的大致方式

太阳及太阳系行星

要产生一颗我们太阳大小的恒星,需要一团直径数光年的尘埃和气体云(大致为球形,这个时候尘埃云并不是我们平时看到的扁平状,记住这个知识点很重要)。在恒星的形成过程中,很多物质都消失了,并没有进入形成恒星。尘埃云可能会稳定几十亿年,在这段时间里,使它聚集在一起的重力被粒子的随机热运动抵消。随后可能是由一种扰动引起,这种扰动使云的一部分比其他部分密度更大,然后云团开始了引力坍缩

Q1、第一阶段:气体云的引力塌缩

当气体云在重力作用下开始收缩时,气体和尘埃会向质量中心下落,随着重力势能转化为动能,塌缩速度加快。尘埃微粒发生剧烈的碰撞,气体云被加热,云团开始以红外线辐射的形式失去能量,但大多数能量仍然星云外层捕获。

最终,收缩云的核心变得白热化,但我们不能直接观察到它,因为较冷的外层吸收绝大部分的辐射。但红外辐射不太容易被吸收,所以我们平时观察到的大星云其实是一个红外辐射源

Q2、第二阶段:原恒星诞生

核心粒子喷流将星云吹向外层,这就是太阳系目前外行星都是气态行星的原因

从坍缩开始,核心质量达到原恒星的阶段需要大约100万年。它的核心比它最终形成的恒星要大好几倍,核心的热量会产生粒子的喷流,这些粒子会把仍然环绕着它的云团中的气体和尘埃吹走。

现在可以看到热核是一颗前主序星。它通过缓慢的引力收缩继续获得能量。核内的物质现在是等离子体,所有的原子(主要是氢原子的质子)都失去了电子。

Q3、第三阶段:最终成为真正的恒星

氢燃烧是4个氢原子核(质子)融合成一个氦原子核(2个质子+ 2个中子)。融合过程是通过一系列反应发生的。给定恒星中到底发生了哪些反应取决于它的质量,因此也取决于它的核心温度和密度。在太阳下,这个过程被称为质子-质子链。在比太阳质量稍大的恒星中,一系列不同的反应称为碳氮氧循环(碳-氮-氧),用来把氢熔成氦。

再过大约5000万年后,核心突然达到足够高的密度和温度(大约1000万开尔文)发生了一种新的反应:核聚变。质子发生猛烈撞击融合在一起,最终在质子-质子链中形成氦,这一过程被称为“氢燃烧”。当核心变成核聚变反应堆时,大量的能量突然释放出来。能量使温度进一步升高,氢燃烧蔓延整个核心!

围绕年轻恒星IRS2的星团RCW 38,这是一个由两颗大质量恒星和原恒星组成的系统。

Q3、恒星达到平衡

恒星的演化过程

当各级粒子的动能足够大,足以平衡重力向内的拉力时,原恒星就停止了坍缩。把这和地球大气层的情况进行比较:空气分子的热能使它们运动得足够快,不至于被地球的重力场拉到地面上来。

行星的形成和自转的必然性

Q1、星云为什么是扁平的圆盘状

我们看到的星系和星云为什么都是扁平的圆盘

银河系中的所有物体(实际上是所有星系)都围绕银河系的质心旋转。想象我们最初的没有坍缩的尘埃星云,体积巨大,外缘比内缘移动得快,所以星云绕着它的轴旋转得非常慢:它围绕这个轴有自己的角动量。

现在想象一个距离星云中心半径为R远的原子、分子和尘埃,它以非常低的速度V围绕星云中心旋转,角动量为MVR。当星云收缩时,这个角动量是守恒的,也就是说MVR保持不变。它的质量M保持不变,但是R的平均值变小了,所以速度V必须增加。结果是收缩的云旋转得越来越快。

把物质向内拉的一些重力为旋转的物体提供向心力。将粒子向内拉的力变小,所以收缩的速度比不旋转时要小。但这种效应只适用于与自旋轴成直角的方向。没有沿着自转轴旋转,所以星云在这个方向上凝结得更快。在冷凝过程中,当原子和分子聚集在一起时,就会形成小尘埃颗粒。云团最终变平,成为一个前行星盘。

在行星盘中当尘埃和气体粒子的旋转速度大到足以让它们保持在轨道上。新中心恒星在粒子距离处的引力与该速度所需的向心力相匹配。

Q2、制造行星

太阳系形成的时间框架已经用辐射定年法确定,太阳和行星大致同时形成。据估计,太阳大约有50亿岁(5 × 10⁹)。放射性年代测定显示,地球和月球上最古老的岩石大约有46亿年历史。

  • 生死竞速

稳定的星云盘形成以后,大部分尘粒并没有在整齐有序的轨道上移动。它们有很大的随机运动,碰撞仍然会发生。粒子粘在一起形成团块,这一过程称为吸积。随着团块越来越大,它们越来越有可能碰到其他团块,因此它们会变得更大。在特定的大小下,一个团块有幸变得足够大,以至于它的引力变得比周围物质更加显著,也就是说,它已经变成了一个小行星体,它能够吸引周围更小的粒子来让自己变得更加巨大,这可以说是一场生死竞争。

随着时间的推移,这种滚雪球般得运作,最终经历收缩让一些小行星达到行星的级别。很显然我们地球就是这场竞赛中的胜利者。

  • 地热形成及争议

随着新行星的形成,当物体之间发生非弹性碰撞时,会产生强烈的热量,它们的动能变成粒子随机运动的内能。以至于它们的核心可以熔化,这导致行星物质分离成不同的化学结构和密度层。

不过,不是每个人都同意这个模型是“热地球”的起源。地球形成后不久变热的主要原因可能是放射性同位素的存在。记住铀-238的半衰期大约等于地球的年龄。这意味着地球在形成时拥有的铀-238是现在的两倍。它还含有更多寿命较短的放射性同位素,如钾-40、铀-235等。这些同位素的剩余部分是今天地热能的主要来源,即使现在它们的丰度少得多。

行星吸积模型的证据

吸积盘双星系统:当双星系统中质量较低的恒星进入膨胀阶段时,其外层大气可能落到致密恒星上,形成吸积盘。

目前科学家关于行星的形成,或是月球的形成大部分是基于理论的推演,没有太多的证据证明刚才描述的行星形成模型,但是所有的岩石行星和许多卫星都有大的撞击坑,这些撞击坑是在地表冷却和固化后形成的。这样的陨石坑在地球上很难找到,因为我们地球有活跃的地质(板块构造)、侵蚀性的大气和三分之二的表面被水覆盖的事实。

太阳系有两组主要行星的原因:内太阳系岩石行星和外太阳系气态行星

太阳、岩石行星和气态行星

现在想象早期的凝结,吸积和收缩。新的太阳在附近的云层中创造了一个巨大的温度梯度。在太阳附近,只有那些熔点高的材料才能凝固,例如熔点在400或500开尔文以上的岩石和金属。在更远的地方,温度将足以形成水冰,甚至更远的地方,温度将足以冻结甲烷等化合物以及氢、氧和氩等元素。

气体粒子很轻,容易移动。太阳不仅会发出辐射,还会释放出一种叫做太阳风的粒子流,其中含有质子和电子。辐射和太阳风都对太阳附近的粒子施加力,并倾向于将较轻的粒子推向最远。

人们认为这个过程开始于太阳还是一颗原恒星的时候。更大质量的岩石和金属颗粒从气体中分离出来,因为岩石和金属在靠近太阳的地方形成了星子,而气体被挤压到更远的地方,变成了由冰冻气体组成的“冰”星子。正是这些行星形成了木星及其外的巨大“气体行星”。

太阳是一种普通的恒星,其主要物理特征如下所示:

关于太阳的数据:

|半径:6.966×10⁸m | |质量:1.989×10³⁰kg | |光度:3.863×10²⁶W | |表面温度: 5780 K |

|核心温度(估计):8 - 16×10⁶K | |平均密度:1410 kg/m^3| |年龄4.5 - 5×10⁹年| |组成表

面:氢72% 、氦26% 、其他元素2% |

我相信,当你忍耐着枯燥乏味坚持看到这里时,你可以说已经初步了解我们太阳系了。现在放下手机闭上眼睛,想想清晰震撼的星云(球形),它是怎样一步步形成今天我们太阳系的结构。有没有觉得有所收获呢?

如果你喜欢我的文章,请关注量子科学论,再次感谢你的观看!

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