产品工艺:未知的太阳系——太阳系的六大未解之谜

来源:百度文库 编辑:科学网 时间:2020/04/01 18:33:53
46亿年前,银河系中某个不起眼的地方正在孕育着什么。星系中弥漫的氢和氦以及固体尘埃开始凝聚并且形成分子。由于无法承载自身的质量,这一新形成的分子云便开始了坍缩。在不断加热和混合的过程中,一颗恒星诞生了。它就是我们的太阳。

目前我们还不确切知道到底是什么触发了这一过程。也许这一切都源自于近邻恒星爆炸死亡时所产生的激波。而类似的恒星死亡也不是非常罕见的事件。自从130亿年前银河系形成以来,类似的事情已经发生了无数次。而通过望远镜我们可以看到这些事件仍然在继续发生着。但是作为恒星来讲,太阳实在是没有什么特殊的。
然而,据我们所知太阳却是唯一的。从诞生太阳的薄盘中形成了八颗行星,一开始这些行星之间没有什么显著的“差异”。最终在太阳旁的第三颗行星上出现了生命,而这些生命也开始探索他们所在的太阳系。但时至今日依然有六个太阳系的未解之谜有待解答。
一、太阳系是如何形成的?
如果你看一眼太阳系的行星,你也许会认为这些行星不是太阳“亲生”的,而是被太阳“领养”的。可这些行星却是如假包换的“血亲”,都是从坍缩形成太阳的分子云中形成的。你也许会认为不同天体在太阳系中的分布是无章可循的。但其实目前的太阳系结构已经达到了平衡的状态,添一分则嫌“胖”,减一分则嫌“瘦”。那么这一精巧的结构是如何形成的呢?
在太阳形成的时候,它消耗了原始太阳星云中99.8%的物质。按照目前被广为接受的理论,剩下的物质在引力的作用下形成了一个围绕新生恒星的气体尘埃盘。当这个盘中的尘埃颗粒绕太阳运动的时候,它们彼此之间会发生碰撞,并且渐渐地聚合长大。在盘的最内部,由于太阳的核反应已经被点燃,因此高温使得只有金属和高熔点的含硅矿物才能幸存下来。这样一来也限制了尘埃可聚合的大小,所以这一区域中的小天体最终凝聚形成了内太阳系的4颗体型较小的岩质行星——水星、金星、地球和火星。

[图片说明]:假想中的另一个与斯必泽空间望远镜所发现的极为相似的遥远太阳系。其中恒星的年龄大约为3,000万年(差不多是地球形成的时间),在恒星的周围有一个充满了岩石和尘埃碎片的小行星带。在这个带中有一颗行星正在围绕恒星转动。版权:T Pyle (SSC)/JPL-Caltech/NASA。
在这一区域之外则没有类似的限制,在“雪线”以外的区域甲烷和水都是以固体的形式出现的。这个区域中的行星可以长得更大,并且可以在太阳的热量把气体驱散之前吸积气体分子(主要是氢)。这就是木星和土星这样的气态巨行星以及温度更低的巨行星天王星和海王星的最终形成过程。这也是天文学家预计这些行星在流体的表层之下有一个岩石核心的原因。
到目前为止一切都是直接。法国蔚蓝海岸天文台的亚历山德罗·莫比德利(Alessandro Morbidelli)说,但当你要深入到其中的细节的时候问题就来了,吸积模型就是一个很好的范例。没有人确切知道米级的岩石是如何聚合成10千米级的小天体的。因为小型的固体天体会受到其周围气体压力的作用而最终在聚合之前便落入了太阳。最近提出的一种可能性是气体中局部湍流提供的低压使得小岩石最终并合到了一起。
气态巨行星也有类似的问题。它们的岩石核心必定是在有气体的情况下聚合而成的,然后才能吸积气体。而在其他行星系统中也已经发现了非常靠近恒星的类木行星。这些行星的大小和木星相仿,但是轨道半径却和地球的差不多,甚至更小。如果在太阳系形成的早期也有一颗木星质量的行星运动到了太阳系的内部,尽管还没有确定的结论,但诸如地球这样的内行星都会被散射出太阳系。

[图片说明]:双星系统HD113766的想象图。天文学家怀疑在这个双星中的一颗恒星的周围正在形成一颗岩质的类地行星。这张图中的两个黄色的星球就是这个双星中的两颗恒星,年龄大约为1-1.6千万年。在右下角的恒星周围正有一颗岩质行星在形成中。这一系统距离地球大约424光年。版权:C Lisse (Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory)/JPL-Caltech/ NASA。
按照美国科罗拉多大学的菲尔·阿米蒂奇(Phil Armitage)的说法,没有证据显示太阳系上演过类似的情况。如果说过大的月亮是某种暗示的话,那么它也只是说明了内太阳系在岩质行星形成的最初1亿年中一直处于“动荡不安”的状态,但是很快一切就都安定了下来。根据莫比德利及其同事所提出的理论,在太阳形成之后的几亿年,在木星和土星引力的“强强联合”作用下天王星和海王星被推到了距离太阳更远的地方并且占据了现在的位置,由此引发了外太阳系的重组和膨胀。一些小天体会就此撞向木星,而另一些则会被木星的强大引力抛射出太阳系。在整个太阳系的外围、宇宙的深处,这些未被吸积的残骸聚集到了一起形成了设想中的奥尔特云。
太阳系的最近一次引力散射效应的集中体现就是它们对火星和木星之间小行星带的扰动,由此引发了40亿年前(太阳形成之后5-6亿年)出现的晚期大规模轰击。在这期间,大量的小天体撞击了地球和月亮,但从那以后构成太阳系的天体便又重新恢复了平静,进入了一种精巧的平衡状态——无疑这对于地球上生命的起源和演化来说是“无价”的。
二、为什么太阳和月亮在天空中看上去一样大?
日全食是最壮丽的自然景观之一。如果你一辈子都呆在一个地方,那么你至少可以目睹一次日全食。如果你运气好的,也许可以看到两次。在日全食发生的时候,月亮可以完全遮挡住太阳的光芒。只有透过月面上的山谷才能有一线光线透过来,形成绚丽的“贝利珠”。

[图片说明]:1994年11月3日玻利维亚日全食时所拍摄的贝利珠。版权:Reverend Ronald Royer/SPL。
这一切都要归功于太阳和月亮的“大小”是如此的契合。太阳的直径大约是月亮的400倍,而太阳到我们的距离也正好是月亮的400倍。这两者“此消彼长”就使得太阳和月亮在天空中看上去具有一样的大小,这在太阳系中的8颗行星和已知的166颗卫星中绝对是绝无仅有的。而地球也是目前已知唯一拥有生命的行星?难道这也纯属巧合?
绝大部分天文学家的观点是肯定的。但也许这些数字背后还隐藏着不为人知的一些“天机”。我们的月球是“与众不同”的。类似木星、土星、天王星和海王星这样的巨行星的卫星是通过两种方式形成的。它们要么形成于由行星引力维系的物质盘中——类似微缩版的太阳系,要么就是由行星的引力俘获而来的。火星的两颗卫星火卫一和火卫二就被认为是通过第二种方式形成的,而火星也因此成为了内太阳系唯一具有两颗天然卫星的行星。
但是由于月亮相对于地球的大小来说太大了,因此无法通过这两种方式中的任意一种形成。行星科学家们相信月球的形成只有一种解释:在太阳系的最初1亿年里,小天体在太阳系里横行,其中一个火星大小的天体撞上了地球。这一碰撞完全地改变了地球,由此撞击出的大量物质最终形成了个头偏大的月球。
更重要的是,这么大的月亮对于地球上的生命来说是一种恩惠。由于来自其他天体的引力作用,地球在绕其自转轴转动的同时也会自然地摆动。而月球无形的引力则抑制住了这种摆动,防止了地球自转的不稳定性以及由此造成的灾难性气候变化。而这对于地球上的生命来说则是至关重要的。

[图片说明]:2003年发生在英国巨石阵的日偏食。版权:Les Wilson/Rex Features。
地球处于太阳旁的“宜居带”中,在这个带中行星可以保持充沛的液态水。这无疑是承载生命的最重要因素。但是一个大到足以引发日全食的月亮的存在可能也是关键的因素。如果真是这样的话,那么这将为在其他行星上搜寻生命产生重要的影响。
由于是在撞击中形成的,因此月亮正在以每年3.8厘米的速度渐渐地远离地球。于是恐龙看到的日食和我们的截然不同。2亿年前月亮要比现在看上去大得多,可以“轻而易举”地遮挡住整个太阳。而对于几亿年之后的地球居民来说,由于月球已经变得太“小”,因此不会再有日全食发生。
我们看起来很幸运正好位于两者之间:形成于撞击的月球正在远离,与此同时它又惠及着地球上的生命。如果你足够幸运在有生之年经历过一次日全食,请想象一下这一可能:也许正是这样一个月亮才使你有幸站在那里目睹日全食的发生。
三、是否存在X行星?
如果说太阳系就像一张网,那么我们并不了解这张网上的所有结点。传闻在太阳系黑暗的深处潜藏着X行星,它是一颗如火星甚至地球这么大的冰冷行星。
自从1930年发现冥王星以来,X行星将会是太阳系最重要的“扩编”。2006年国际天文学联合会为行星设立了三条标准:围绕太阳转动、在自引力下呈近似球形并且质量足够大能清空其轨道附近的区域,并由此将冥王星降级为矮行星。冥王星的“失利”源于第三条。因为它只是众多柯伊伯带天体中的一个,这些冰质天体都分布在海王星以外30个天文单位到50个天文单位之间的区域里。这里1个天文单位等于地球到太阳的平均距离。

[图片说明]:柯伊伯带天体的想象画。这些冰质的小天体散布于从海王星轨道30个天文单位到50个天文单位之间的区域。版权:T Pyle (SSC)/JPL-Caltech/NASA。
任何位于柯伊伯带的天体想成为行星的话就必须清空它。而有意思的是,对柯伊伯带的研究预示可能确实有X行星的存在。一些柯伊伯带天体的轨道可以延伸到距离太阳非常远的地方,而另一些的轨道则是长椭圆形的并且和大行星的轨道互相垂直。“这些特殊的轨道可能就是一颗大质量遥远天体摄动的结果,”美国夏威夷大学行星科学家罗伯特·杰迪克(Robert Jedicke)说。
但关于这一点远没有在科学家之间达成共识。尽管很难解释观测到的柯伊伯带天体的所有性质,但是巨行星轨道的向外迁移确实可以解释一些柯伊伯带天体的奇特轨道。
在过去的20多年里已经在大片的天区中搜寻了那些缓慢运动的天体,并且已发现了超过1,000颗的柯伊伯带天体。但是这些大天区的巡天只能发现大而明亮的天体,而用于寻找小而暗弱天体的长时间曝光巡天只能覆盖较小的天区。如果有一颗火星大小的天体位于距离太阳100个天文单位的地方的话,那么它可以轻而易举地躲过地面上的侦察。

[图片说明]:独自位于太阳系边缘的矮行星阋神星(2003UB313)的想象画。它到太阳的距离是冥王星的三倍多。版权:R Hurt (SSC/Caltech)/JPL-Caltech/NASA。
但是这一状况马上就要被改变了。2008年12月,全景巡天望远镜和快速反应系统(Pan-STARRS)的首架原型机在夏威夷投入使用。不久装备有全世界最大的140亿像素数码相机的四架望远镜就将开始搜寻天空中任何闪烁或者运动的目标。它的主要目的是寻找对地球具有潜在威胁的小行星,但是那些外太阳系的居民也难逃它的“法眼”。
杰迪克和他的团队目前正忙于开发可使用Pan-STARRS自动搜索这些天体的软件。他说,发现一颗遥远的行星绝对是一件令人兴奋的事情。对存在这样一颗行星的唯一解释是,它是一颗形成于在太阳系早期的大型天体,在随后和巨行星的引力相互作用中被抛射到了太阳系的外围。它的发现会佐证我们对太阳系形成的认识,也可能会成为人类迈向太阳系更深处的阶梯。
四、彗星来自何方?
很少有“宇宙来客”能像彗星那样使得人类对它既敬畏又恐慌。特别是肉眼可见的哈雷彗星,在犹太教法典上写道“每70年出现一次的星星会让船长们犯错”。1066年黑斯廷斯战役之前哈雷彗星犹如厄运的征兆出现在了天际,1456年教皇卡利克斯特三世将其逐出了教会。
而现代科学对待彗星则采取了更多实证的观点。彗星是尘埃和冰的聚合体,在大椭圆轨道上绕太阳运动。当它们靠近太阳的时候,由于太阳风的吹拂而形成了壮观的彗尾。现在我们甚至还知道它们发源自海王星轨道以外的柯伊伯带。

[图片说明]:拍摄于美国加州约书亚树国家公园的海尔-波普彗星照片,它是20世纪最亮的彗星之一。由于太阳风的吹拂,它形成了一条由电离气体组成的明亮离子尾。而由于太阳光压的作用,它还形成了一条由尘埃组成的尘埃尾。版权:Walter Pacholka, Astropics/SPL。
但是这里也存在着问题。诸如1997年造访地球的海尔-波普彗星,它们难得会出现在我们的天空中。因为它们的轨道非常长,因此不可能来自柯伊伯带。许多天文学家对此的结论是,我们已知的太阳系被一个巨大的、由冰质天体组成的晕所包围,这些天体是几十亿年前在巨行星的引力作用下被从太阳附近“驱逐”到这里的。
这一片天空中的“荒漠”被称为“奥尔特云”,用以纪念1950年第一个提出它的荷兰天文学家简·奥尔特(Jan Oort)。这个包围着太阳系的球形物质晕还从来没有被观测到过,但是如果长周期彗星确实发源于此的话,那么奥尔特云一定是非常巨大的,它所延伸的范围可以达到柯伊伯带外边界的大约1,000倍。在这样遥远的距离上,它不再会受到太阳系行星的影响,相反银河系和近邻恒星对它的作用成为了主导。奥尔特云可能就存在于我们的太阳系向星际空间过渡的某个地方。

[图片说明]:1991年出现的科胡特克彗星一开始被认为是起源于奥尔特云的。但是之后的研究显示它来自柯伊伯带。版权:Denis Cameron/Rex。
不幸的是,如果要在奥尔特云中搜寻X行星的话,那将是一个梦魇。对于望远镜来说,它太暗弱、太遥远也太小了。同样不幸的是,由此我们也错过了通过统计和估算这些天体的大小来重建太阳诞生地并且一窥形成巨行星原始物质的机会。
到目前为止,有关这些原初物质的信息都来自彗星和最大的柯伊伯带天体,因为它们被认为具有类似的组成。“这就像是‘瞎子摸象’,”美国西南研究所的行星科学家哈尔·利维森(Hal Levison)说。
尽管如此,但说不定在几十年之后人们就能描绘出这头“大象”的全貌了。奥尔特云中的天体会使得遥远恒星变暗或者发生衍射。虽然这些掩食所持续的时间只有几分之一秒,但是天文学家将采用已经用于柯伊伯带天体上的技术来测量这些天体的大小和距离。但地球大气湍流造成的闪烁会使得地面上的望远镜无法探测到它们,不过未来空间望远镜巡天应该可以发现大量的奥尔特云天体。
除此之外还存在着其他的问题。根据目前已知的长周期彗星的数目和轨道估计,奥尔特云中含有千亿个直径大于1千米的天体,它们的总质量可以达到地球的几倍。利维森说,这么多的物质超出了目前的太阳系形成理论可解释的范围,这说明还需要对我们现有的模型进行细致的检查。
五、太阳系是唯一的吗?
自从1992年发现了第一颗绕其他恒星转动的行星以来,已经发现了大约280颗太阳系外行星。而这其中的绝大部分和我们的太阳系大相径庭。这些太阳系外行星主要是通过它们的引力对恒星的扰动而被发现的。行星越小,它对恒星的影响也越小。因此目前的技术还无法探测到类地行星对恒星所产生的扰动。
绝大多数已知的太阳系外行星是大小和木星或者海王星相仿的气态巨行星,它们到各自恒星的距离也只有几个天文单位。据估计大约6%-7%的类太阳恒星会具有类似的行星。而恒星具有和木星类似距离的气态巨行星的概率目前还不得而知。原因是它们绕恒星转动一圈大约要花上10年甚至更长的时间,因此对它们引力扰动的测量也要花上至少这么长的时间。

[图片说明]:一颗行星正在清空恒星附近尘埃盘的想象画。斯必泽空间望远镜在有的恒星周围已经观测到了类似的现象。天文学家相信一个绕恒星转动的大质量天体,例如行星,会清空恒星周围盘中的物质。理论上这颗行星的质量至少要达到木星质量。版权:R Hurt (SSC)/JPL-Caltech/NASA。
按照太阳系形成的标准图像,气态巨行星不会形成于非常靠近恒星的地方,因为恒星的热量会阻碍较大的岩质核心的形成。另外,太阳系中行星的轨道都是近圆的,而这些太阳系外气态巨行星的轨道却都是长椭圆的。也许这就是答案:绝大多数的行星系统具有比我们的太阳系更变化多端的历史。本来距离较远的巨行星为了获得“生存空间”竞相将对方“挤”入了特殊的轨道。
在知道观测极限之前,我们很难的到确定的结论。“也许在我们眼中太阳系的历史已经是够‘血腥’的了,因为这是我们能看到的唯一样本,”美国科罗拉多大学的菲尔·阿米蒂奇说。两个高灵敏度的空间行星探测计划将会帮助我们降低这里的不确定性,其中一个是2006年12月发射的由法国主导的“科罗”外星行星探测器,另一个是计划于2009年3月发射的美国宇航局的“开普勒”探测器。

[图片说明]:由法国国家空间局主导、欧洲空间局参与的“科罗”外星行星探测器。“科罗”发射于2006年底,在一条圆形极轨道上环绕地球转动。这使得它可以连续观测天空中两片相对的区域超过150天。版权:D Ducros/CNES。
它们预计可以发现10个左右的“超级地球”——质量为地球几倍的行星。如果有关太阳系形成的理论是正确的话,这些岩质行星应该和我们的地球非常相似。取决于大气中温室效应和云的冷却作用,两颗行星Gliese 581c和d到它们恒星的距离可以使得在其表面有液态水存在。
还有其他的线索也表明岩质行星要比我们所想象的更普遍。2008年美国宇航局斯必泽空间望远镜的观测显示,年轻恒星周围尘埃的碰撞直接和行星形成有关,而且岩质行星的形成率可以达到20%-60%。
但斯必泽空间望远镜对老年恒星周围尘埃的观测则显示,形成可承载生命的岩质行星的前景并不那么乐观。10个太阳系外行星系统有9个含有比太阳系更多的尘埃,在某些情况下甚至可以达到太阳系的20倍甚至更多。而行星形成过程是一个在恒星诞生之后1亿年内就应该完成的短暂过程,因此这些尘埃可能是随后盘中的彗星彼此剧烈碰撞的残骸。
幸运的是,我们的内太阳系有一个忠实的守卫者。距离更远的巨行星——尤其是木星——通常会在彗星有机会进入内太阳系之前就把它们给散射出去了。
“最终,‘太阳系是否唯一’这个问题还有待我们在观测到了类地太阳系外行星和其外围更远的巨行星之后才能回答,”美国亚利桑那大学的乔纳森·卢宁(Jonathan Lunine)说,“但目前我们还无法简单而正确地回答对这个问题。”
六、太阳系最后将如何终结?
我们生活在一个无趣的时代。因为早在最初的1亿年里行星便已经形成,现在行星都在有序地饶阳转动,而太阳也在稳定地燃烧,生命也在太阳旁的第三颗行星上繁衍生息。一切都很平静。
但这份平静并不是永远的,在平静的背后还隐藏着“危机”。
我们的太阳终有一天是会死亡的,当然这是在大约60亿年之后。但是在那之前事情就会变得越来越棘手。目前稳定的太阳系到时候就会陷入混乱。即便是最小的不规则性也会随着时间累积,最终改变行星的轨道。从现在到太阳死亡,计算发现出现灾变的可能性大约是2%。火星有可能太靠近木星,进而被抛射出太阳系。如果我们“背”到极点的话,狂奔的水星会和地球相撞。
与此同时,太阳也会慢慢地变亮。在20亿年里,太阳就有可能会杀死地球表面的所有生命。而另一方面,如果火星仍然处于现在的位置的话,火星就会出现宜人的气候。即使现在的火星是死气沉沉的,但到时候就会生机盎然。
然而这一切也不会永远存在。当太阳的核心氢耗尽时,太阳的整体结构就会发生重大的变化。它的体积会渐渐地膨胀到目前的100万倍,成为一颗红巨星。而按照最新的数值模拟,当太阳成为红巨星的时候就会吞噬水星、金星,可能还有地球。

[图片说明]:红巨星抛射物质的想象画。在类太阳恒星生命的晚期,它们会成为红巨星。它们的半径会膨胀到地球轨道附近,其表面的物质也会被抛射出去。版权:JAXA。
此时占据整个天空的太阳会把火星变成炼狱,而土星和木星冰冷的卫星则会开始焕发出生机。由于已经具备了丰富的有机分子,因此土星的卫星土卫六特别有希望。在红巨星的加热下,曾经冰封的土卫六会浸浴在全球性的氨水海洋中,而这一海洋中的机会分子也许会形成生命。
任何漂浮在这些卫星表面的生物也会看到和我们截然不同的天空。到那个时候,银河系也许已经和近邻的仙女星系发生了碰撞,正在形成“银河仙女星系”。由此触发的大规模恒星形成过程又孕育了大量新一代的行星系统,并且照亮了天空。

[图片说明]:照片显示的是行星状星云NGC2440,其中包含了一颗刚形成的高温白矮星(图片中央)。在50亿年之后,太阳也会最终演化成白矮星。版权:H Bond (STScI)/R Ciardullo (PSU)/WFPC2/HST/NASA。
如果在太阳系晚期还会出现的生命的话,这些生命持续的时间都不会很长。在度过了短暂的红巨星阶段以后,太阳内部的核反应会最终停止,它会抛射出它的外部包层并且收缩成一颗白矮星。经历了短暂温暖期的土卫六又会再一次被冰封。木星和土星等外太阳系天体会继续围绕已变成白矮星的太阳转动几百亿年,直到由于来自内部或者外部的某种因素打破这一“平衡”。木星或者土星可能会散射掉那些质量较小的同伴,例如天王星或者海王星。而偶然从太阳系旁经过的恒星也有可能会剥离掉其中的行星,甚至连质量最大的木星也未必能幸免。
不过太阳系的未来还是不确定的,有着各种各样的变数。还有一种微小的可能性是太阳系整个会被“甩”出银河仙女星系。在空旷的星系际空间里,行星可以免受“掠食者”的袭击。它们会继续绕着太阳转动,但是它们的能量会被引力波渐渐地带走。于是行星就会一个接一个地“掉”向中心已经变成黑矮星的太阳,并且以一阵划破黑暗的闪光结束它们的一生。
[New Scientist 2009年1月31日]