太陽形成是宇宙塵埃堆積坍縮引起的,但同時為什麼還會形成木星土星地球等行星呢?
一但開始坍縮不是應該不斷聚集最後形成一個巨大的球嗎?為什麼會同時會形成那麼多大小不等的球(行星們)?
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Warning:感謝 @名字長記不住斯基 。答案里有關於塵埃和氣體的區分並不是很嚴格。看來有必要嚴格區分。待有空了趕緊回來把這個坑填上。 (2015年6月26日已修正)
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(多圖預警)
簡單來講,一塊氣體雲的初始角動量不可能是0。所以隨著塌縮的進行,會逐漸形成一個盤,盤除了被中心形成的恆星吸積以外,盤內部也會因為密度不均而產生原行星的種子,最後依靠吸積形成行星。
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因為正好是我的研究方向之一,所以可以多說一點。不過PS以下,原行星盤的研究是現在很熱的領域之一,加之自己是入行沒多久的小白,有錯的話還請大牛諒解。
首先看一張小質量恆星(如太陽)形成過程的示意圖。
首先先是一團氣體雲塌縮,這塊氣體雲的內部可能包含著很多東西。含量最多的氫,其次是氦,這些是宇宙大爆炸核合成的產物。還會根據情況有一些更重的元素,比如形成生命的必需品碳、氧,或者以及日常生活中常見的鐵等等。這些更重的元素多數需要超新星爆發來合成,因此這取決於這塊雲周圍的環境是否發生過超新星爆發,以及發生過幾次。在這個過程中相互抗衡的是輻射壓力和氣體之間的引力,通常經過外界觸發(如附近的超新星爆發或者星風)的作用,使得密度不均勻超過一定的限度引起塌縮。這部分不是這個問題的重點,感興趣的可以查閱:Jeans不穩定性(Jeans instability)。放上一張哈勃望遠鏡拍的著名的「創生之柱」,這是一個正在塌縮的氣體雲。
(P.S. 天文學中塵埃和氣體的區別在於氣體一般在宇宙中以氣態存在,塵埃則以固體存在,並且塵埃經常代表了物質凝結成的更大的分子團。物質狀態與環境溫度、壓強和周圍輻射有關,這些又經常受環境影響。由於像氫氣這種小分子,在宇宙里以氣態或者等離子體存在,對於一大塊物質,很難說大家整體都是氣體還是塵埃,物質狀態又存在過渡。所以本文除非特殊強調某些物質處在塵埃狀態,如果大多數是氣體的話則稱之為氣體。)
關鍵問題是由於角動量守恆,初始一團氣體的一點點角速度隨著塌縮的進行,尺度減小會產生很大的角速度,從而產生原行星盤。(順便提一下,盤結構在天體物理的吸積過程中非常常見,例如活動星系核中心超大質量黑洞的吸積也伴隨著吸積盤。)這是恆星形成過程會伴隨著行星形成的關鍵。盤結構產生的同時,由於塌縮過程伴隨著引力勢能的釋放,中心恆心會開始發出輻射,盤的兩級會產生噴流。由於初始階段吸積還很劇烈,所以輻射和星風都很強,內部向外的輻射和來自外面其他星的輻射會在某一個面達到勢均力敵,產生一個激波面,在外面看起來會像一個氣泡。
天文學家還真管這個叫bubble。放上一張觀測到的bubble給大家看,來自獵戶座大星雲的恆星形成區。獵戶座大星雲非常明亮,天氣晴朗的冬天,在城市裡肉眼就可以辨別出。
在bubble里依稀可以看見有盤結構的存在。右側黑色的橢圓就是已經進行到下一階段的裸露的盤。
這個時候有人會問了,既然恆星還在吸積,那麼塵埃都被吸積到中心恆星了怎麼還會產生行星?問題是,到了這一步,恆星的吸積速度會大幅度降低。原因見下面這張圖。
這時中心恆星核反應逐漸點燃,恆星的輻射將會逐漸把其附近的物質吹散,所以吸積盤將不再直接與恆星接觸。盤物質掉落到恆星的過程將依賴於磁場。因為靠近吸積盤上的物質多數都處於被電離的狀態,成為非常理想的等離子體。等離子體的一大性質就是會傾向於沿著磁感線跑,所以這個時候外面的物質會沿著恆星附近的磁場墜入恆星。但是這一過程的速度會受制於「螺旋槳效應」——因為中心恆星的自轉會帶動磁場旋轉,所以墜落的等離子體的角速度就會等於中心恆星的角速度,墜落速度受制於離心效應。
順便提一下,這個過程同時解釋了為什麼像木星,土星,天王星,海王星這樣的氣體或液體星球會位於太陽系的外圍,因為像下面這張圖所示,比較重的塵埃粒子不容易被星風吹走,而輕的氣體都會被吹到外面去。(當然現在系外行星發現了很多氣體行星非常靠近母恆星,與此理論不符,這個有一些爭議和解釋,暫且不表,感興趣的可以自己查)
到了這一部分可以說到行星形成的最後一部分。盤結構當中的密度不均會形成行星的種子,密度比較大的區域會逐漸在盤中吸積附近的塵埃,最終形成行星。現在有很多對於盤結構的模擬證實了這一過程。例如下面各處這張圖屬於國外的一個團隊(隨便谷歌來的),他們模擬的動畫可以在這個鏈接看:http://jila.colorado.edu/~pja/images/planet.mpg
這個模擬簡單來說就是在一個均勻的盤上面放上一個質量略大的點,稱之為原行星,然後看盤的結構變化。可以看到,行星會逐漸吸積附近的物質,然後在盤上打開一個缺口。
就這樣,最後盤上的物質要麼被中心恆星吸積,要麼形成行星,要麼被吹走,所剩無幾。而劇烈的恆星形成過程將趨於平靜。放一張這一階段的所剩無幾的塵埃盤。
來自哈勃拍攝的著名的恆星北落師門,位於南魚座,比較靠南的同學可以看見。因為中間恆星太過於明亮,所以用一些技術把它擋住,可以看到環狀的塵埃帶。在右下角放大的圖裡可以看見一顆行星,在2004年和2006年的圖片中有明顯位移。(不過這個行星有很大爭議,因為2011年的觀測中它不見了,2013年又再次出現。)
這就又說到系外行星了。系外行星現在是天文學中數一數二的熱門領域,所以帶動了恆星形成,盤結構等等一系列領域在近幾年蓬勃發展。
題主的問題在這裡基本解決了,塵埃的塌縮會形成盤結構,而不是一個完美的球,而盤上的物質將不容易落入中心恆星,從而給行星形成創造了時間。最後有人會問了,這一過程真的是太陽系形成的過程么?放上太陽系盤結構的遺迹——黃道光。
這張圖由我親自拍攝於美國光學天文台基特峰觀測基地。下部分橫過來的光帶是冬季銀河,而從右下到左上的光柱就是黃道光。在環境比較好的地方,日落後或日出前,在昏影或晨光完全看不見的時候,用肉眼就可以看見這樣一條貫穿黃道的光柱。黃道簡單來說就是地球繞太陽的公轉平面,也是其他大行星的公轉平面。在這個平面上還有一些殘存的塵埃散射太陽光,就形成了黃道光。所以這張圖可以看見我們人類生存在的兩個宇宙中的盤系統,太陽系和銀河系。=====================================
最後小吐槽以下分類標籤。知乎的天文還是要提高一些基礎的姿勢水平啊= =。 宇宙學通常是指以宇宙為研究對象的科學,一般紅移太低都不好意思叫宇宙學…… 已經看見不少宇宙學分類下的問題都有這個bug。所以默默的把這個的標籤刪掉了,分類到天體物理學就好了。
原始太陽形成後周邊的塵埃被太陽風吹離中心。
Google 角動量X吸積盤XGravitational separation 有真相
很簡單,你捏湯圓還得濺點渣(麵粉)出來呢。
關於星球演變的新學說——「星球演變排列順序」:
像自然界所有事物一樣,星球也會經歷從誕生到衰亡的演變過程。各種星球不同的形態是由於處在演變過程中的不同階段(如昆蟲在它的生長階段各是卵、幼蟲、蛹、蛾幾種完全不同的形態一樣),行星是由恆星演變而來,宇宙中每個星球的演變都要經過——恆星級「黑洞」—瀰漫星雲—恆星—紅巨星—行星狀星雲—白矮星—行星—彗星—小行星這樣幾個階段。地球正處在行星階段中期,當小行星最後化作塵埃飄浮在蒼茫太空時,星際中的氣體塵埃在快速旋轉運動的恆星級「黑洞」吸引下凝聚在一起,又一個星球新的生命周期開始了。星球演變就是這樣循環往複,生生不息。
第零條:太陽已經佔了太陽系99.86%的質量,不過要這麼嚴苛的話,太陽系的渣靠坍縮是用不完的啦,當然這其中的一個重要原因是離心力將星塵鋪成了十分廣遠的原行星盤。(還有可能的普遍存在的奧爾特雲)
這是我翻譯的wiki詞條金牛座HL,第一顆人類直接拍到擁有正在形成的行星的恆星
氣體巨行星都可能是在太陽附近形成的,這或許是因為不同比重的物質在原行星盤中的分布不同,而在太陽系初期的演化中行星不斷遷移到了現在的位置。
第一條:
另一方面,太陽是富含金屬的第一星族恆星,形成於銀河系曾經閃爍過別的星球的一個角落,構成太陽的「金屬」和構成我們的原子或許都源自一個大、重且緻密得多的早期恆星的內部,顯然,屬於那顆星的行星物質占的比例要小得多,而且因為重元素的匱乏,類似今天原行星盤的不足質量的氫氣可能不會聚集。
今天我也只好這麼定性地揣測一下,這或許已經能夠從一定程度上得出原行星盤的利用結果和母恆星質量之間是相關的
援引:
我們已確認的圍繞B型星的行星列表:
(飛馬座V391b不算因為它圍繞的是一顆藍色亞矮星)
圍繞A型恆星的行星列表
(當然北落師門b是最有名的一顆)
對以上的數據中的「軌道周期」稍加觀察便會發現問題,即便是大質量恆星的附近,也可能會形成足以觀測的氣體行星/熱木星,使以上的論述似乎站不住腳。但其實,熱木星在宇宙中(真的不只是銀河系-_—,得益於OGLE計劃的微引力透鏡檢測,我們已經在別的星系中發現了行星)中似乎大量存在的現象是一個亟待解決的天文學問題,迫切需要一個修正的模型來解釋。
第二條:
到構成太陽的H2們足夠壓縮以產生核聚變和輻射壓的程度之時,物質未必有時間完全掉進中央的引力源中,相反,它們可能在離太陽很遠的地方積累角動量而維持自己的軌道運轉。
與此同時,發生熱核反應的氣體的一個明顯變化就是它變得緻密了,見金牛座HL圖,你可以發現清晰的環帶結構會形成,而不是一個有明顯軌道偏轉的漩渦。在暗弱恆星形成自己的行星的時候(比如 GJ 1214b和……氪星……),只要到了這個「初始積累」 的結束點,母星能做到的也就只有施加潮汐力,然後卯足了勁看看接下來的幾十億年里能不能撕碎那些不聽話的行星了。
對太陽化學組成的一些研究(來源請求)證明曾有可觀量的行星/行星際物質墜入太陽,水星的地質學表現也正像是一個大得多的星體剩下的核……而且我們都知道太陽會在接下來的演化中變得越發明亮炙熱(二十億年後,G0或者晚F?),足夠烤乾或者融化內行星們的地表。最後膨脹的紅巨星太陽又會飽餐一頓水星、金星和或許我們的硅酸鹽。
結論:「無所不能的必定是弱的。」
引力--時空的彎曲--是偉大的,但是它也正因此是弱的。它能使星塵聚積,但是也會在漫長的時間裡沖淡物質內聚的傾向。
在太陽的情況下,其初始積累完成時,物質還沒來得及全部落到中心,也因此不在會落到中心。在這之後,她可以通過吞噬「萬年炎帝」號、偏離軌道的行星、路過的物質雲、別的地方飛來的彗星等等來繼續積累一些質量,不過這些比起其輻射損失的質量,都是九牛一毛了。
因為在這種情況,坍縮後外圍依然殘留著一堆星塵未用。
太陽星的恆星盤是非常大的,恆星盤中的大部分物質都集中在太陽中了。還剩下了一小部分。在漫長的過程中逐漸聚集,形成隕石,行星。
聽說是太陽甩出去的,所以轉的方向什麼的都和太陽一樣…
我從太極理論的角度談一下我的猜想,或能對科學有所啟迪:首先核心是高速自旋的(最大波數55:大有之數55 對應里德伯常量/2),有很強的磁場,粒子處於弱相互作用等離子態,在磁場與感應磁場的作用下,軸心傾斜膨脹,自旋衰減至大衍之數50,達到臨界態,部分物質沿磁力線傾倒而出至軌道,感應磁場及角動量、傾角同步變小。軌道從內嚮往分別對應波數34,21,13,8,,5,3,2,1。34自旋一轉公轉兩轉(對應1軌道)及21自旋一轉公轉一轉(對應2軌道),不能形成球形自旋,故沒有行星誕生。13對應水星,8對應金星,而地球對應5(處於第5軌道),3對應火星(第6軌道)。.激波面由內因產生,源於軌道駐波頻率與傾倒輻射頻率強烈共振,形成「小行星帶」共性並點燃核心太陽,對應2,至1則復歸次級太極,於太陽系而言, 1對應木星,參見易有太極別開 別世富
也有可能是遊離行星被恆星捕獲~有可能。。。~~~
可以當成這個是離心力甩出來的太陽碎片
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