趙君亮

研究員,中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái),上海200030

天體尺度上的重大災(zāi)變事件
——太陽(yáng)系演化的插曲

趙君亮

研究員,中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái),上海200030

太陽(yáng)系 行星 行星環(huán) 小行星 碰撞

太陽(yáng)系經(jīng)歷了約50億年的演化史。在這漫長(zhǎng)的時(shí)期中,短時(shí)標(biāo)的災(zāi)變事件可能對(duì)一些太陽(yáng)系天體(包括行星、月球和其他衛(wèi)星、小行星以及行星環(huán)等)的形成和演化起了某種決定性的作用。

1 太陽(yáng)系起源的星云說(shuō)

太陽(yáng)系的起源與演化,是天體物理學(xué)的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。從歷史上看有關(guān)太陽(yáng)系起源的學(xué)說(shuō)不下數(shù)十種,它們大體上可以分為三大類(lèi),即災(zāi)變說(shuō)、俘獲說(shuō)和星云說(shuō)。

1745年,法國(guó)動(dòng)物學(xué)家布豐首次提出關(guān)于太陽(yáng)系起源的災(zāi)變說(shuō)。他受1680年一顆大彗星接近太陽(yáng)的啟發(fā),設(shè)想遙遠(yuǎn)的過(guò)去曾有一顆大彗星擦撞太陽(yáng)的外緣,于是太陽(yáng)便轉(zhuǎn)了起來(lái),而被撞出的物質(zhì)繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)并最終形成諸多行星。該學(xué)說(shuō)的致命缺陷是彗星質(zhì)量太小,與太陽(yáng)碰擦不可能撞出質(zhì)量比它大得多的行星物質(zhì),更不可能使原本不轉(zhuǎn)的龐然大物——太陽(yáng)轉(zhuǎn)起來(lái)?？蓺w類(lèi)于災(zāi)變說(shuō)的還有1916年英國(guó)天文學(xué)家金斯提出的潮汐說(shuō):曾有一顆恒星接近太陽(yáng),恒星潮汐力從太陽(yáng)表面拉出一長(zhǎng)條物質(zhì)并繞太陽(yáng)轉(zhuǎn),隨著恒星的遠(yuǎn)離拉出物漸而變長(zhǎng)并與太陽(yáng)本體脫離,最終凝聚為行星。不過(guò),后來(lái)的理論工作否定了這種可能性。

俘獲說(shuō)主張先生成太陽(yáng),行星和衛(wèi)星等是在太陽(yáng)形成后,從鄰近的星際空間中俘獲物質(zhì)而形成,1944年蘇聯(lián)天文學(xué)家施米特的“隕星說(shuō)”即屬此類(lèi)。他認(rèn)為在幾十億年前,太陽(yáng)以5 km/s的相對(duì)速度,進(jìn)入一個(gè)尺度為10光年的星際云,并在60萬(wàn)年內(nèi)俘獲了約3%太陽(yáng)質(zhì)量的星際物質(zhì)。這些物質(zhì)在太陽(yáng)周?chē)饾u形成一個(gè)扁平的星云盤(pán),并進(jìn)而演化為行星和衛(wèi)星。不過(guò),問(wèn)題在于出現(xiàn)這種俘獲事件的可能性實(shí)在太小。

星云說(shuō)最早由德國(guó)哲學(xué)家康德(1755年)和法國(guó)數(shù)學(xué)家拉普拉斯(1796年)獨(dú)立提出,他們的觀念本質(zhì)上是相同的,即太陽(yáng)系天體起源于同一原始太陽(yáng)星云?？档碌膶W(xué)說(shuō)側(cè)重于哲理,拉普拉斯則從數(shù)學(xué)和力學(xué)上進(jìn)行論述。鑒于拉普拉斯的學(xué)術(shù)威望比康德高得多,使學(xué)說(shuō)得以廣泛傳播,后人稱為康德-拉普拉斯星云說(shuō)。

關(guān)于太陽(yáng)系起源的現(xiàn)代星云說(shuō),是在康德-拉普拉斯星云說(shuō)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,它能解釋太陽(yáng)系內(nèi)的大部分觀測(cè)事實(shí),因而為大多數(shù)天文學(xué)家所接受。這種學(xué)說(shuō)認(rèn)為,在約50億年前,銀河系中有一團(tuán)總質(zhì)量為幾千倍太陽(yáng)質(zhì)量的氣體塵埃云。這團(tuán)星云在自引力作用下逐漸收縮,因內(nèi)部湍流和渦流的作用,大星云碎裂成許多云塊,其中之一便是太陽(yáng)系的前身——原始太陽(yáng)星云,質(zhì)量不超過(guò)1.2倍太陽(yáng)質(zhì)量。原始太陽(yáng)星云有自轉(zhuǎn),這是原來(lái)大星云中的湍流和渦流殘留下來(lái)的運(yùn)動(dòng)。這團(tuán)星云在萬(wàn)有引力的作用下繼續(xù)收縮,中心區(qū)占絕大部分的物質(zhì)形成太陽(yáng),同時(shí)收縮過(guò)程中星云的自轉(zhuǎn)漸而變快,外圍部分物質(zhì)最終演變?yōu)楸馄綘?形成一個(gè)星云盤(pán)(圖1,見(jiàn)彩插一)。

太陽(yáng)形成后,由于太陽(yáng)輻射和太陽(yáng)風(fēng)的作用,星云盤(pán)中靠近太陽(yáng)的氣體被向外推離,使這部分盤(pán)區(qū)內(nèi)的塵埃含量相對(duì)較高,盤(pán)外圍部分則是氣體含量比較高。另外,物質(zhì)的密度是內(nèi)圈較高,離開(kāi)太陽(yáng)越遠(yuǎn)密度越低,而行星就是在這種狀態(tài)的星云盤(pán)中形成的。這一過(guò)程的大致情況是,星云盤(pán)內(nèi)的塵埃微粒在運(yùn)動(dòng)中互相碰撞,結(jié)合成大小不同的顆粒。較大的固體顆粒在太陽(yáng)引力、離心力、氣體壓力等因素的作用下,逐漸沉到盤(pán)的中央平面附近,在盤(pán)內(nèi)形成一個(gè)更薄的“塵層”。隨著塵層內(nèi)物質(zhì)密度的增大,就會(huì)出現(xiàn)引力不穩(wěn)定和轉(zhuǎn)動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象,使塵層瓦解為許多顆粒團(tuán)。顆粒團(tuán)繼續(xù)收縮和聚集,先形成一些小的團(tuán)塊,并進(jìn)而因相互碰撞而結(jié)合成尺度1～10 km的較大團(tuán)塊,稱為星子。

大星子引力較強(qiáng),在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)不斷吸積所遇到的物質(zhì)和小星子并迅速長(zhǎng)大。星子間的引力使其軌道變得復(fù)雜化,星子和星子更頻繁地接近、交會(huì)甚至碰撞,于是大星子便越長(zhǎng)越大。如兩個(gè)星子大小懸殊,或相對(duì)速度不太大,它們就會(huì)結(jié)合在一起;否則,它們就會(huì)撞碎,而大多數(shù)碎塊最終又會(huì)被大星子所吸積。在這種碰撞、吸積和并合的復(fù)雜過(guò)程中,行星盤(pán)中的某些區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)最大的大星子,這就是行星胎。

行星胎形成后,物質(zhì)集聚過(guò)程大大加快,最終形成了一顆顆大的行星。在盤(pán)內(nèi)圈生成的行星,因塵埃局域含量較高,所以是一些固態(tài)的類(lèi)地行星。位于盤(pán)外圈的行星,由于星云盤(pán)的主要成分是氣體,故而生成如木星那樣的氣態(tài)行星——類(lèi)木行星。在一些行星的周?chē)?大的規(guī)則衛(wèi)星之形成很可能是行星形成過(guò)程在較小規(guī)模上的再現(xiàn),而那些沒(méi)能形成行星的星子,經(jīng)嗣后的演化便形成了小行星、彗星和一些行星的不規(guī)則小衛(wèi)星。

從星云盤(pán)到最終形成行星,大約只需要1千萬(wàn)年到幾億年的時(shí)間。因此,與太陽(yáng)和太陽(yáng)系主要天體的年齡(近50億年)相比,太陽(yáng)系成員可認(rèn)為是在同一時(shí)期段內(nèi)相當(dāng)快地形成的。從這個(gè)意義上說(shuō),太陽(yáng)系主要天體的形成亦可算是一種短時(shí)標(biāo)的災(zāi)變式事件——原始太陽(yáng)星云的物理本質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了根本性的改變。

2 演化中的異常插曲

太陽(yáng)系天體與宇宙中一切事物一樣處于不斷運(yùn)動(dòng)之中,并主要表現(xiàn)為天體繞自身某個(gè)軸的自轉(zhuǎn),以及繞母天體的公轉(zhuǎn)兩種形式。對(duì)衛(wèi)星來(lái)說(shuō),母天體指的是衛(wèi)星繞之轉(zhuǎn)動(dòng)的行星;而對(duì)行星、小行星和彗星來(lái)說(shuō),母天體就是太陽(yáng)。

在公轉(zhuǎn)方面,無(wú)論是行星、彗星或小行星繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn),還是衛(wèi)星繞其母行星的公轉(zhuǎn),都服從開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律。因此,離開(kāi)太陽(yáng)(或行星)越遠(yuǎn),行星(或衛(wèi)星)的運(yùn)動(dòng)速度就越慢。以行星為例,最接近太陽(yáng)的水星之公轉(zhuǎn)周期僅為88天,海王星的公轉(zhuǎn)周期則長(zhǎng)達(dá)165年。

對(duì)于行星和行星周?chē)囊恍┮?guī)則衛(wèi)星來(lái)說(shuō),它們的運(yùn)動(dòng)存在著一些重要的規(guī)律性:無(wú)論是行星繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn),還是衛(wèi)星繞行星的公轉(zhuǎn),以及行星和衛(wèi)星的自轉(zhuǎn),都表現(xiàn)出一些明顯的共性特征,這就是近圓性、共面性和同向性。行星繞太陽(yáng)、或衛(wèi)星繞母行星的公轉(zhuǎn)軌道,都是一些偏心率非常小的橢圓,或者說(shuō)絕大部分公轉(zhuǎn)軌道都很接近圓形,這就是近圓性。行星繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)軌道面,以及衛(wèi)星繞母行星的公轉(zhuǎn)軌道面,與地球公轉(zhuǎn)軌道面(黃道面)的交角大多比較小,稱為共面性。行星和衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)及自轉(zhuǎn)大多有著大致相同的方向,從地球北極上方很遠(yuǎn)處向下看,這個(gè)方向是逆時(shí)針的,這就是同向性;對(duì)于自轉(zhuǎn)來(lái)說(shuō),同向性又表現(xiàn)為行星和衛(wèi)星的赤道面與黃道面的交角不大。這些特征說(shuō)明,太陽(yáng)系主要天體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)頗為“步調(diào)一致”。

不過(guò),除了上述共性運(yùn)動(dòng)特征外,也還存在少數(shù)例外。明顯不符合同向性的是金星的逆向(順時(shí)針)自轉(zhuǎn)和天王星的側(cè)向自轉(zhuǎn),這2顆行星的赤道面與公轉(zhuǎn)軌道面的交角分別為177°和98°。由于天王星衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)軌道面與天王星的赤道面相重合,因此它們繞天王星的公轉(zhuǎn)軌道面與天王星繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)軌道面同樣交98°角,這又不符合共面性規(guī)律。此外,水星公轉(zhuǎn)軌道的偏心率為0.206,與其他行星的軌道相比是較為扁的橢圓,共圓性較差。

任何有關(guān)太陽(yáng)系起源和演化的學(xué)說(shuō),都必須對(duì)太陽(yáng)系天體的上述共性運(yùn)動(dòng)特征以及少數(shù)例外做出合理的解釋。

另一方面,太陽(yáng)系中的小天體,包括小行星、彗星以及柯伊伯天體等,它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就不存在近圓性、共面性和同向性這樣的共性規(guī)律。這些天體的公轉(zhuǎn)軌道可以是一些非常扁的橢圓,甚至是拋物線或者雙曲線,公轉(zhuǎn)軌道面可以與黃道面交任意角,因而公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的方向也就無(wú)同向性可言。

為說(shuō)明不符合共性特征的少數(shù)例外,特別是金星和天王星的自轉(zhuǎn)狀態(tài),人們提出了各種解釋機(jī)制。一種觀點(diǎn)認(rèn)為,在行星形成后不久,行星際空間還游弋著大量星子,而其中大星子對(duì)個(gè)別行星的猛力撞擊完全有可能使行星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生劇烈變化,從而破壞原有的共性特征。有人就此作了估算后發(fā)現(xiàn),如果一個(gè)直徑11 600 km、質(zhì)量4.5×1021t(約及天王星質(zhì)量的1/20)的大星子,沿拋物線軌道與天王星發(fā)生擦邊碰撞(稱為掠撞),那么撞擊的能量足以撞翻天王星,使其自轉(zhuǎn)軸方向發(fā)生很大的變化而成為目前的側(cè)向自轉(zhuǎn)狀態(tài),同時(shí)撞出的部分碎片生成了天王星環(huán)系。大星子的撞擊災(zāi)變觀念同樣可以解釋金星的逆向自轉(zhuǎn):如金星的自轉(zhuǎn)方向本來(lái)符合同向性,那么一個(gè)質(zhì)量為5.4×1019t(相當(dāng)于金星質(zhì)量之1/100)的大星子從相反方向掠撞金星,便足以把金星的自轉(zhuǎn)方向顛倒過(guò)來(lái),使它變?yōu)槟壳暗哪嫦蜃赞D(zhuǎn)。

若此類(lèi)撞擊事件確實(shí)發(fā)生過(guò),那么非常幸運(yùn)的是在太陽(yáng)系演化過(guò)程中,“肇事”大星子沒(méi)有撞上地球。不然,地球有可能被撞出現(xiàn)有軌道,而今天五彩繽紛的世界也就不復(fù)存在了。當(dāng)然,上述大星子撞擊說(shuō)僅是一家之言,而造成這種特別重大災(zāi)變事件的大星子今天已不存在,它們?cè)谔?yáng)系演化過(guò)程中,或者與行星并合,或者成了行星的衛(wèi)星,也可能演變?yōu)樾⌒行恰５?規(guī)模相對(duì)小一些的天體撞擊事件,即使在今天的太陽(yáng)系內(nèi)仍時(shí)有發(fā)生。

造成金星和天王星自轉(zhuǎn)方向與其他行星不同的大星子撞擊說(shuō),引入了某種災(zāi)變機(jī)制,而這類(lèi)災(zāi)變事件所涉及的能量之大,是導(dǎo)致恐龍滅絕的尤卡坦事件完全不能相比的。比如,若設(shè)想中的大星子以5 km/s的速度(略小于天王星的平均公轉(zhuǎn)速度5.4 km/s)掠撞天王星,因撞擊把1/100的動(dòng)能傳遞給天王星,那么這部分能量約為5.6×1028J,超過(guò)尤卡坦事件所釋放能量的8萬(wàn)倍!

3 碰撞事件誕生了月球

月球是地球唯一的天然衛(wèi)星,月球公轉(zhuǎn)軌道(白道)偏心率為0.055,白道面與黃道面的傾角5°09′,月球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)方向與地球相同,因而月球運(yùn)動(dòng)符合近圓性、共面性和同向性規(guī)律。作為地球的近鄰,月球的起源問(wèn)題很早就受到人們的關(guān)注,并從理論上提出了諸多種學(xué)說(shuō),其中的大碰撞說(shuō)涉及到太陽(yáng)系內(nèi)的災(zāi)變事件。

最早面世的可能是同源說(shuō)。這種理論認(rèn)為,地球和月球由同一塊行星際塵埃云演化而成,大部分物質(zhì)形成地球,小部分形成月球。地球形成在先,物質(zhì)以鐵為主要成分,并以鐵為核心;月球形成在后,由殘留在地球周?chē)⒁苑墙饘俪煞譃橹鞯奈镔|(zhì)聚集而成,月球和地球的平均密度和化學(xué)成分有所不同。

瑞典天文學(xué)家阿爾文于1942年提出俘獲說(shuō)。它的基本思想是,月球和地球形成于不同的地方,因偶然的機(jī)會(huì)月球運(yùn)行到地球附近并為地球所俘獲,即成為地球的衛(wèi)星。有人認(rèn)為這一事件約發(fā)生在35億年前,而整個(gè)過(guò)程歷時(shí)5億年左右。這種學(xué)說(shuō)能較好說(shuō)明地球和月球在物質(zhì)組成上的差異。不過(guò),盡管有些行星的小衛(wèi)星很可能是俘獲來(lái)的,但月球質(zhì)量約為地球的1/81,在太陽(yáng)系衛(wèi)星/行星質(zhì)量比排行榜中高居首位,地球要俘獲如此大質(zhì)量的月球之可能性極小。

分裂說(shuō)最早由著名生物學(xué)家達(dá)爾文的次子喬治·達(dá)爾文于1880年提出?，F(xiàn)代分裂說(shuō)認(rèn)為,月球是在地球形成后的1億年(距今約45億年前)從原始地球的地幔中分離出去的。當(dāng)時(shí)地球物質(zhì)尚處于熔融狀態(tài),且自轉(zhuǎn)很快?？焖僮赞D(zhuǎn)使原始地球在赤道方向上變扁、拉長(zhǎng),進(jìn)而成為一端凸出的梨狀體。突出部分最終在細(xì)頸位置處斷開(kāi),并從地球分離出去而形成原始月球。嗣后,因潮汐力作用月球逐漸遠(yuǎn)離地球,經(jīng)過(guò)45億年的漫長(zhǎng)時(shí)光,最終到達(dá)現(xiàn)在的位置上。分裂說(shuō)能較好解釋月球物質(zhì)的平均密度和化學(xué)組成與地幔相近,而與地球的總體情況迥異。但理論研究表明,當(dāng)時(shí)的地球決不可能分離出月球那么大一塊物質(zhì)。另外,如月球確是從地球上分離出去,其公轉(zhuǎn)軌道應(yīng)該位于地球赤道面附近,但事實(shí)上卻是靠近黃道面,而黃道面與赤道面之交角達(dá)23°27′,這也對(duì)分裂說(shuō)提出了質(zhì)疑。

為了克服上述學(xué)說(shuō)所面臨的若干難題,兩位美國(guó)科學(xué)家哈特曼和戴維斯于1975年首先提出了關(guān)于月球起源的第四種理論——大碰撞說(shuō)。這種學(xué)說(shuō)引入了月球起源的撞擊災(zāi)變機(jī)制:在太陽(yáng)系行星形成之初,行星際空間游蕩著大大小小的星子,一顆直徑為地球1/2～1/3的大星子,在運(yùn)動(dòng)中與原始地球猛烈碰撞。由于撞擊方向明顯偏離地球中心,結(jié)果使地球自轉(zhuǎn)軸發(fā)生傾斜,同時(shí)生成大量碎片。撞出物并未擺脫地球引力的束縛,它們繞著地球運(yùn)轉(zhuǎn)并互相碰撞、吸積或并合,最終誕生了一個(gè)繞地球轉(zhuǎn)的相當(dāng)大的衛(wèi)星——月球,這一過(guò)程與行星形成相類(lèi)似。大碰撞說(shuō)成為解釋月球起源的主流假說(shuō)(圖2,見(jiàn)彩插一)。

月球的大碰撞起源說(shuō)可以較為合理地解釋地-月系統(tǒng)的一些重要特征,如地球自轉(zhuǎn)軸對(duì)黃道面的傾斜,月球公轉(zhuǎn)軌道面與地球赤道面不重合,月球物質(zhì)的平均密度明顯比地球來(lái)得低,地球有一個(gè)巨大的鐵質(zhì)地核而月球卻沒(méi)有,等等。有人還通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)一步說(shuō)明,發(fā)生如此大規(guī)模的碰撞災(zāi)變是有可能的。因此,大碰撞說(shuō)得到學(xué)術(shù)界的廣泛支持,被稱為是一種“最好的學(xué)說(shuō)”,成為解釋月球起源的主流假說(shuō)。

從月球起源學(xué)說(shuō)的發(fā)展史可以看出,人們對(duì)太陽(yáng)系內(nèi)發(fā)生各種形式撞擊災(zāi)變事件的普遍認(rèn)可,并進(jìn)而認(rèn)識(shí)到這類(lèi)短時(shí)標(biāo)“插曲”在太陽(yáng)系天體演化過(guò)程中可能發(fā)揮的重要作用。

4 小行星起源的多種學(xué)說(shuō)

自1801年元旦意大利天文學(xué)家皮亞齊發(fā)現(xiàn)第一顆小行星谷神星(現(xiàn)已被重新分類(lèi)為矮行星)以來(lái),迄今發(fā)現(xiàn)的小行星已數(shù)以十萬(wàn)計(jì)。絕大部分小行星的直徑小于1 km,且形狀很不規(guī)則,總體上說(shuō)它們只是在太陽(yáng)系空間中游蕩的一些小碎塊。據(jù)估計(jì)全部小行星的總質(zhì)量約為2.1×1018t,不到月球質(zhì)量的1/30。大部分小行星在火星和木星軌道之間運(yùn)動(dòng),形成小行星帶,軌道大多是一些不太扁的橢圓。少數(shù)小行星的軌道位于木星軌道之外,也有一些小行星在最靠近太陽(yáng)時(shí)會(huì)伸入地球、甚至深入到金星或水星軌道之內(nèi)。任何關(guān)于小行星起源的理論必須對(duì)上述主要觀測(cè)事實(shí)做出解釋(圖3,見(jiàn)彩插一)。

2號(hào)小行星智神星的發(fā)現(xiàn)人、德國(guó)業(yè)余天文學(xué)家?jiàn)W伯斯可算是最早探究的小行星起源問(wèn)題的學(xué)者。3號(hào)小行星婚神星發(fā)現(xiàn)后,人們發(fā)現(xiàn)其軌道與谷神星和智神星軌道很接近,奧伯斯更進(jìn)一步注意到這3顆小行星的軌道都交會(huì)于室女座,于是他認(rèn)為這些小行星應(yīng)該源自一顆大的行星,后者在過(guò)去的一次災(zāi)變事件中爆炸碎裂,殘留的碎片便成了形狀不規(guī)則的小行星。隨著小行星不斷發(fā)現(xiàn),上述看法發(fā)展成了比較完整的“爆炸說(shuō)”:在太陽(yáng)系演化早期的火星和木星軌道之間某個(gè)地方,原來(lái)存在一顆如火星或更大的行星,后來(lái)由于某種原因發(fā)生了爆炸,殘留下來(lái)的大小碎片便成了現(xiàn)在觀測(cè)到的眾多小行星。

到20世紀(jì)后期小行星起源的爆炸說(shuō)已經(jīng)被人們所拋棄,其致命弱點(diǎn)是對(duì)爆炸起因無(wú)法給以合理的解釋,根本就找不到任何能令人信服的爆炸機(jī)制。此外,按照爆炸說(shuō)所有小行星的軌道應(yīng)相交于爆炸發(fā)生地,而事實(shí)上許多小行星的軌道相差很大,用爆炸說(shuō)來(lái)解釋極為勉強(qiáng)。另一個(gè)問(wèn)題涉及到小行星的質(zhì)量:估計(jì)所有小行星的總質(zhì)量不及地球質(zhì)量的1/800,這應(yīng)當(dāng)就是生成它們的前身行星的質(zhì)量,而這個(gè)數(shù)字實(shí)在是太小了——如把所有小行星物質(zhì)都捏在一起合成一個(gè)球形天體,該天體的直徑也不大可能超過(guò)1 000 km!

美籍荷蘭天文學(xué)家柯伊伯曾提出,在太陽(yáng)系演化過(guò)程中,火星和木星軌道之間沒(méi)能形成單一的一顆大的行星,而是生成5～10個(gè)比較小的小天體——原行星;它們?cè)陂L(zhǎng)期演化過(guò)程中不斷互相碰撞、碎裂,最后便形成今天所看到的小行星。顯然,這是對(duì)奧柏斯觀念的一種修正,以多次碰撞的小規(guī)模災(zāi)變?nèi)〈淮涡员ǖ拇笠?guī)模災(zāi)變,從而避開(kāi)了爆炸機(jī)制難點(diǎn)。然而,柯伊伯并沒(méi)有解釋那些原行星是怎樣來(lái)的,他只是說(shuō)明了小行星的演化,沒(méi)有解決它們的起源問(wèn)題。

20世紀(jì)70年代,瑞典科學(xué)家阿爾文等人提出了“半成品說(shuō)”,以圖解釋小行星的起源。這種學(xué)說(shuō)認(rèn)為,在太陽(yáng)系形成初期,位于火星和木星軌道之間的太陽(yáng)系原初物質(zhì)由于某種原因未能凝聚成大的行星,而只是形成了眾多的小行星,并一直保留到今天。1979年,中國(guó)天文學(xué)家戴文賽通過(guò)定量計(jì)算,把“半成品說(shuō)”論點(diǎn)大大地推進(jìn)了一步,其中特別是較好地說(shuō)明了未能凝聚成大的行星之物理原因。顯然,“半成品說(shuō)”沒(méi)有引用任何災(zāi)變機(jī)制。

鑒于小行星觀測(cè)特征的多樣性,上述學(xué)說(shuō)都難以說(shuō)明全部小行星的物理特性,不同小行星也許有著不同的起源。彗星演化說(shuō)便是有關(guān)小行星起源的另一類(lèi)學(xué)說(shuō)。遠(yuǎn)離太陽(yáng)時(shí)彗星只有彗核,與小行星無(wú)本質(zhì)上的差別,所以有人認(rèn)為這兩類(lèi)天體可能代表了某種演化序列。彗星接近太陽(yáng)時(shí)會(huì)形成彗發(fā)和彗尾,同時(shí)損失一部分質(zhì)量。彗星多次回歸太陽(yáng)后,表面的揮發(fā)性物質(zhì)消耗殆盡,剩下的彗核也就成了一顆小行星。

5 行星環(huán)的災(zāi)變成因

太陽(yáng)系天體形態(tài)各異,即使在行星附近,圍繞行星轉(zhuǎn)動(dòng)的就有衛(wèi)星和行星環(huán)兩種完全不同的天體形態(tài)。那么,衛(wèi)星和行星環(huán)之間是否存在演化上的關(guān)聯(lián)呢?

自1659年荷蘭科學(xué)家惠更斯證實(shí)土星光環(huán)的存在以來(lái),人們一直以為在太陽(yáng)系內(nèi)唯獨(dú)土星才有環(huán),土星環(huán)成了太陽(yáng)系天體中的稀罕品(圖4,見(jiàn)彩插一)。經(jīng)300多年后,在1977,1979和1989年相繼發(fā)現(xiàn)了天王星環(huán)、木星環(huán)和海王星環(huán)后,土星環(huán)獨(dú)尊的觀念才得以徹底改變,并引起天文學(xué)家們的極大興趣。關(guān)于行星環(huán)的本質(zhì),早在1856年英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋已從理論上證明,土星環(huán)必然是由圍繞土星旋轉(zhuǎn)的無(wú)數(shù)“迷你衛(wèi)星”組成的物質(zhì)系統(tǒng),而不可能是整塊固態(tài)物質(zhì)盤(pán)。40年后的觀測(cè)發(fā)現(xiàn),土星環(huán)不同部分的轉(zhuǎn)動(dòng)速度隨到土星中心距離的增大而減小,與剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的情況相反,從而證實(shí)了麥克斯韋的觀點(diǎn)。

為了解釋行星環(huán)的形成,人們提出了若干種理論,如潮汐理論、凝聚理論、碰撞理論等,其中潮汐理論和碰撞理論涉及到衛(wèi)星級(jí)天體的災(zāi)變事件。

衛(wèi)星到行星的距離不能近于某個(gè)限值,否則衛(wèi)星會(huì)被行星的巨大引力所瓦解而不復(fù)存在,這個(gè)最小距離稱為洛希極限,由法國(guó)天文學(xué)家洛希首先提出。洛希極限的具體數(shù)值與衛(wèi)星繞以轉(zhuǎn)動(dòng)的母行星的半徑和密度以及衛(wèi)星的密度有關(guān)。行星環(huán)形成的潮汐理論認(rèn)為,在洛希極限之外形成的衛(wèi)星,因公轉(zhuǎn)軌道縮小走近行星而到達(dá)洛希極限時(shí),會(huì)被行星的潮汐力瓦解,這一災(zāi)變事件的結(jié)果便形成了行星環(huán)。

另一種行星環(huán)形成理論是凝聚說(shuō):組成行星環(huán)的物質(zhì)是在現(xiàn)有位置附近,通過(guò)微?；ハ嚅g的凝聚而形成的。一開(kāi)始這是一種非引力過(guò)程,當(dāng)微粒增大到一定大小后引力開(kāi)始起主導(dǎo)作用,粒子繼續(xù)長(zhǎng)大。鑒于粒子處于洛希極限之內(nèi),因行星潮汐力的作用,眾多粒子不可能進(jìn)一步“長(zhǎng)大”成為衛(wèi)星,它們保持了原有的盤(pán)狀結(jié)構(gòu)而成為行星環(huán)。根據(jù)這種理論,行星環(huán)的形成與衛(wèi)星沒(méi)有直接的關(guān)系,也沒(méi)有涉及災(zāi)變事件。

碰撞說(shuō)的基本思想是,早期在行星環(huán)現(xiàn)在所處的位置上曾經(jīng)有過(guò)一個(gè)或幾個(gè)很小的衛(wèi)星。它們的引力太小,一旦遭到流星體的撞擊,撞擊產(chǎn)生的碎片就能從小衛(wèi)星的表面逃逸,其中一部分未被產(chǎn)生碎片的母體小衛(wèi)星重新俘獲,但卻沒(méi)能擺脫母行星的引力束縛,而大量的這類(lèi)碎片最終便構(gòu)成了繞行星轉(zhuǎn)動(dòng)的環(huán)。

4個(gè)類(lèi)木行星的周?chē)加行行黔h(huán),這些環(huán)在結(jié)構(gòu)、范圍、完整性等方面的特征又不盡相同,說(shuō)明不同行星的環(huán)很可能有不同的形成機(jī)制。戴文賽認(rèn)為土星環(huán)是因規(guī)則衛(wèi)星的軌道縮小,并進(jìn)入洛希極限后瓦解形成的;但天王星環(huán)則是因?yàn)榇笮亲幼矒籼焱跣?從天王星撞出的大量碎粒物質(zhì)生成的。這兩類(lèi)過(guò)程都涉及到太陽(yáng)系

天體的災(zāi)變事件。

(2009年11月26日收到)

(責(zé)任編輯:溫文)

Major Catastrophes on the Scales of Celestial Objects:Episodes in the Evolutionary Course of the Solar System

ZHAO Jun-liang
Professor,Shanghai Astronanical Observatory,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200030,China

Up to now,there have been some 5 billion years for the whole evolutionary history of the solar system,in which catastrophic events happened on relatively short time-scales and possibly played a decisive role in formation and evolution of some celestial objects,such as planets,our Moon and other satellites,asteroids and planetary rings.

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