托福背景知识之太阳系的起源和构成

150亿年前,一个热量极高、密度极大的点发生了爆炸,产生了宇宙,随着时间的推移,宇宙不断膨胀、冷却。在爆炸之初,宇宙中只存在着质子(protons)和中子(neutrons),随着时间的推移,质子和中子发生着聚变反应,产生了原子(atoms),最初只有氢(hydrogen)、氦(helium)这两种最基础的原子。之后,因为引力的作用,这些原子开始发生摩擦和碰撞,从而产生了大量的热,这些热又促使氢、氦产生了更复杂的元素。这些元素又开始相互碰撞,变成了分子,并逐渐产生了越来越多的天体。


【原始太阳系星云(Pre-solar nebula)时期】

46亿年前,一团直径约为65光年的分子云(molecular cloud)因引力开始摩擦和碰撞、旋转,这一团分子云所在的位置叫做原始太阳系星云。随着旋转,在星云的中心产生了一个密度巨大的核心,这个核心开始变热、引力开始增强。在高热和高压的条件下,新的重元素(heavy elements,如硅等)开始产生,这些更重的元素因重力的作用开始向核心内部坍塌,逐渐在中心形成了超新星(supernova,有理论指出:在太阳系形成早期,曾经有多个超新星不断形成,最终合并成为今天的太阳)。超新星释放的冲击波使得星云中心的密度进一步增大,从而导致太阳的形成。并使得分子云变得扁平,成为了原始星盘(protoplanetary disc),星盘的中心形成了原始太阳(protostar)。

protoplanetary disc

【行星形成时期】

在原始太阳形成之后的几百万年里,原始星盘中的剩余物质继续相互碰撞,开始演变成为天体。在天体的形成过程中,星盘因为距离原始太阳的距离,被分为内部(inner Solar System)和外部(outer Solar System)两个区域。

在内部,因为温度过高,水和甲烷难以凝结,所以组成天体的物质全部拥有很高的熔点(比如铁、铝等金属和硅)。这些天体就成为了类地行星(terrestrial planets:水星、金星、地球、火星),由于组成类地行星的成分在宇宙中较少,因此这类行星体型都较小。

在外部,因为温度过低,水、甲烷等物质都以固体形态存在,而这些物质远比形成类地行星的物质多,因此,在外部形成的行星都具有较大的体积,这也就意味着他们具有更大的引力帮助他们捕获到氢、氦等气体。由于这些行星主要是由气体组成,因此这些行星也叫做气态巨行星(gas-giants:木星、土星、天王星、海王星)。因为木星所处的轨道离内太阳系更近,因此从内部蒸发的水等物质都被木星吸引,所以,木星的体积也远比其他的气态巨行星更大。

这些天体则围绕着星盘中心的体积最为巨大的天体做着不同速度的旋转(revolution),但是因为这些小型的天体大小不一,他们所受的引力也就不同,从而公转速度也有快有慢,有些甚至被拉向中心,有些则被更远处的天体吸引远离中心。在这个过程中,天体开始不断碰撞,形成更大的天体。最终,形成了行星(planets)、矮行星(dwarf planets)和其他的小天体(minor bodies)。

早于气态巨行星形成的类地行星

【卫星形成时期】

在行星形成之后,原始太阳系中仍然有很多的物质没有被捕获。这些物质有一些在围绕行星运转,就好像在原始太阳形成之初围绕在太阳周围的物质一样;还有一些自行发生碰撞,形成了新的、体积小于行星的天体。

这些围绕行星运转的物质不断碰撞,发生着和原始行星形成过程一样的过程,形成了围绕着行星运转的天体——卫星;

有一些未被捕获的小天体,在围绕太阳公转的过程中,被行星捕获成为了卫星;但有一些小天体在被捕获的过程中,与行星发生了碰撞,碰撞形成了新的天体,再被行星捕获,同样成为了卫星(就像目前广为接受的月球的形成过程)

我们的太阳系 Wikipedia

【水星】(Mercury)

水星是太阳系中最小的,也是离太阳最近的一颗行星。水星拥有一颗体积和密度巨大的内核(core),因此也是太阳系中密度第二大的行星(仅次于地球)。

水星最显著的特征是温度高:白天,水星地表最高温度可达427℃,而夜间最低温度则可以降至-173℃。

水星探测器传回的水星彩色照片

【金星】(Venus)

金星拥有太阳系中最厚的大气层,这是由于长时间的火山喷发造成的。进行上的火山都是盾状火山(不同于地球上在由板块挤压,在板块边缘出现的火山),但目前并没有直接证据表明金星上的火山仍在活动(但不能排除仍有活火山存在)。金星厚厚的大气层拥有极高的热反照率和光反照率(albedo),但因为大气是由温室气体组成,导致金星表面温度极高(平均温度超过400℃)。


【地球】(Earth)

地球是太阳系中密度最大的行星,也是目前唯一确认存在生命的行星。

【火星】(Mars)

火星是一颗自转周期与地球相近的行星,地表沙漠遍布,但存在已经干涸的河道,因此曾一直被怀疑存在液态水和生命。在火星两极存在巨大的冰盖,冰盖会随着季节的变化而变大和减少。2018年7月,欧洲航天局宣布在火星地表下发现了液态水湖泊。

【小行星带】(asteroid belt)

小行星带位于火星和木星轨道之间,在原始太阳星云中与行星同时产生。但因木星和太阳引力的共同作用,小行星带中的行星不断发生碰撞,变成了小型的天体碎片,被保留在小行星带中,而没有合并成为更大的行星。据推测,小行星带中共有超过50万颗小行星。

【木星】(Jupiter)

木星是太阳系中体积最大、质量最重、自传最快的行星,所含有的物质占太阳系中全部行星物质的70%,质量高达其他七大行星质量总和的2.5倍。木星呈扁球体,大气依维度分为多个带域,带域之间经常发生剧烈的风暴;大红斑就是典型的风暴。木星已知的卫星多达79颗。

【土星】(Saturn)

土星是太阳系第二大的行星,内核由岩石和冰组成,内核外部被厚厚的大气层包裹,大气层主要由氢、氦组成。目前,已经确认的土星卫星数量为62颗。土星最显著的特征是其拥有的土星环:土星环主要由冰和岩石的碎片组成,目前已知的土星环共5条,分别由英文字母A-F(从内到外分别是CBAEF)表示;环与环之间有缝隙(每条裂缝约数千公里);在土星环中B环最亮,C环次之。土星环缝隙产生的原因是土星卫星的引力作用。

【天王星】(Uranus)

天王星是太阳系中最冷的行星,表面温度只有-224℃。天王星体积和质量巨大,是太阳系体积第三大的行星,但因为主要由水、氨和甲烷组成,因此被称为冰巨星(区分于木星和土星的气态巨行星)。与土星相同,天王星也具有一个环系统(ring system),但天王星具有一个在太阳系中独一无二的特点:它的自转轴(Axis) 几乎与公转轨道平面平行。目前,关于造成天王星自转轴倾斜的理论中,接受度较高理论是一颗地球大小的天体与天王星发生了碰撞导致天王星自转轨道倾斜。

【海王星】(Neptune)

海王星是太阳系中离太阳最远的行星,主要由氢氦和甲烷组成。海王星是太阳系中体积第四大的行星、质量第三大的行星;同时,海王星具有太阳系中最剧烈的风暴,风速可高达2100km/h。海王星拥有14颗已知的卫星,但其第一颗卫星的公转方向却与其他卫星不同,这也就说明这颗卫星是在绕太阳公转时被海王星捕获成为了卫星。

【柯伊伯带】(Kuiper belt)

在海王星运行轨道外存在着一片与火星木星之间的小行星带类似的区域。这片区域是太阳系原始星盘的最外部,包含着无数的未能形成行星的天体(成分主要是冰冻的水、甲烷、氨)。同时这里也存在着很多的矮行星,曾被认为是小行星的冥王星(Pluto)就位于这片区域内;海王星的一些卫星也被认为起源于这里。

发布于 2019-01-17

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