也有一些在碰撞过程中被打飞出去,形成小行星和彗星。这个理论认为,太阳至少已是第二代的恒星,诞生太阳的太阳星云中,除了包含大爆炸形成的氢、氦元素外,也包含了少量前一代恒星演化中形成的重元素。在太阳系外围,远离太阳且气体丰富的地方,巨行星或许可以从星云中直接塌缩而成,比如木星。

为什么说太阳系的行星在其气体盘中形成,而非形成后被太阳系所捕获?

为什么说太阳系的行星在其气体盘中形成,而非形成后被太阳系所捕获

要了解行星的形成,得先了解太阳系是如何形成的。目前所知的事实是,我们的太阳系位于银河系的猎户分支悬臂上,距银河系中心约2.6万光年,并且以约240公里/秒的线速度绕银心转动。太阳系中的八大行星都位于差不多同一平面的近圆轨道上运行,朝同一方向绕太阳公转。恒星形成的环境通常被称作气体云,是星际物质聚集的地方。

大爆炸后,宇宙中形成了大量的氢元素和氦元素,以及极少量的锂元素。这些是第一代恒星形成的原料。太阳系大约形成在46亿年前,这时距离第一代恒星死亡已经过去了很长时间。太阳系形成的主流的说法是依据星云假说(Nebular Hypothesis)。这个理论认为,太阳至少已是第二代的恒星,诞生太阳的太阳星云中,除了包含大爆炸形成的氢、氦元素外,也包含了少量前一代恒星演化中形成的重元素。

就是这个46亿年前巨大的太阳星云最终塌缩演化形成了太阳系。太阳系的气体盘是怎样形成的?当太阳星云自身的引力明显超过星云气体内部的压力时,原始巨大的球状气体云就会快速地塌缩。由于气体云存在小的不均匀性,气体云在塌缩之前往往会有一点点转动,所以气体云的塌缩不可能每一个方向都是均匀的。后来由于冷却收缩,气体云自转的速度由慢变快,同时因星云赤道附近的旋转造成的离心力最大,而离心力会抵御一部分引力。

因此,气体云会在旋转轴的方向上先塌缩下来,星云逐渐变扁,最终形成一个扁平状的气体盘。这样的星云形成理论在1796年由星云假说发起者之一、法国数学家和天文学家拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)第一次提出,也称拉普拉斯假说。一旦其赤道边缘的离心力大于星云对它的引力,赤道边缘的气体物质便分离出来,形成一个旋转的气环(拉普拉斯环)。

由于星云继续冷却收缩,上述过程重复发生,形成一个又一个旋转的气环,最终形成了与行星数目相等的气环。这些气环都在同一个平面内围绕气盘中心旋转。这个扁平气体盘也被称为原行星盘(Proplyd or Protoplanetary Disc)。在气体星云塌缩过程中,核心区域的密度和温度都会增大,但其压力不足以抵抗气体云强大的引力,最后气体盘中心形成一个高温且大质量的核球。

这个核球被叫做原始太阳。随着气体云的进一步向中心塌缩,其核心温度和压力越来越高。最终云核中心的氢聚变反应被点燃,太阳就此形成。行星又是如何在太阳系的气体盘中形成的呢?天文学家表示,太阳的质量占据了整个太阳系质量的99%以上,但残余的物质仍然足以形成行星。根据拉普拉斯假说,星云中心形成太阳,各个气环在绕太阳旋转的过程中逐渐聚集形成行星。

行星也类似,形成其自己的卫星。天文学家认为,行星的形成过程可能是从小颗粒慢慢长大的。气体盘内含有大约1%质量的尘埃和冰晶。它们会吸引气体盘内的其他物质,慢慢地长大。颗粒通过碰撞和其他的颗粒融合,类似滚雪球的过程。太阳系气体盘中尘埃颗粒的演化是一个急剧加速的过程,在经历10万年左右,小尘埃颗粒就长成了巨大的岩石核。

这些岩石核大小数百公里,可看成行星的幼年期,被称为星子。星子更有效地通过引力作用吸引其他颗粒——石块和气体。它们相互之间也可以通过碰撞结合,迅速增加质量。碰撞和放射性元素的辐射会熔化星体,较重的元素会沉淀至核心,形成一个铁核。频繁的碰撞和吸积最后产生了几颗较大的原行星。也有一些在碰撞过程中被打飞出去,形成小行星和彗星。

这个剧烈的演变阶段大约持续了10亿年。气体行星形成在太阳系中心3倍日地距离之外的地方,它们可以获得更多的物质,更有效地吸引丰富的氢、氦元素并进一步迅速成长。因此,气体行星长得比类地行星要更大一些。之后,大行星的轨道变得较为独立,相互之间有一定的间隔。除水星外,其他行星的轨道几乎都是圆的,并且所有大行星轨道互不交叉。

也有一些些学者认为,巨行星也许不是,或者不都是和类地行星一样从尘埃颗粒长大的。在太阳系外围,远离太阳且气体丰富的地方,巨行星或许可以从星云中直接塌缩而成,比如木星。总结根据上述基于星云假说的分析和讨论,天文学家的主流观点认为,太阳及其行星的演化始于同一片巨大星云的引力塌缩。塌缩的质量大多集中于中心,形成了太阳。

其余部分质量展平并形成了一个扁平的原行星盘,继而形成了行星、卫星、陨星和其他小型天体。所有形成行星、卫星、陨星和其他小型天体的物质都是从这个原行星盘中获取的。因此,太阳系中大行星的分布及运行轨道具有明确的特征,所有大行星轨道几乎在同一个平面内绕太阳运行,而且公转的方向一致。同时,组成太阳、行星等天体的元素也基本一致。


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