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第八節 太陽係是如何誕生的

  星雲說

  這種觀點首先由德國偉大的哲學家康德提出來,幾十年以後,法國著名數學家拉普拉斯又獨立提出了這一觀點。他們認為,整個太陽係的物質都是由同一個原始星雲形成的,星雲的中心部分形成了太陽,星雲的外圍部分形成了行星。不過,康德和拉普拉斯的觀點也有著明顯的分歧。康德認為太陽係是由星雲的進化性演變形成的,先形成太陽,後形成行星;拉普拉斯則相反,認為原始星雲是氣態的,且十分灼熱,因其迅速旋轉,先分離成圓環,圓環凝聚後形成行星,太陽的形成要比行星晚些。盡管他們的觀點有這樣大的差別,但是大前提是一致的,因此人們便把它們捏在一起,稱這一理論為康德——拉普拉斯假說。

  災變說

  由於康德——拉普拉斯假說無法解釋太陽和各行星之間動量矩的分配問題,因此在20世紀初,災變說盛行起來。這個學說的首創者是法國布封。後來又有一些人相繼提出太陽係起源於災變。代表人物是英國天文學家金斯。他認為太陽是先形成的,行星的形成,是一顆恒星偶然從太陽身邊掠過,把太陽上的一部分東西拉了出來的結果。太陽受到起潮力的作用,從表麵拋出一股氣流。氣流凝聚後,變成了行星。

  俘獲說

  災變假說,足足占據了天文學家們的頭腦達30年之久。最近幾年,災變說又活躍起來,霍爾夫森就是這一觀點的擁護者,他的最新解釋是,形成行星的氣體流是從掠過太陽的太空天體中拋射出來的。但天文學家們經過計算後認為,氣體中的物質在空間彌散開來之後,不會產生凝聚現象。這是對災變說的釜底抽薪。於是,俘獲說便應運而生。這一假說最早是蘇聯科學家施密特提出來的。他認為,當太陽某個時候經過氣體塵埃星雲時,會把星雲中的物質“據為己有”,形成繞太陽旋轉的星雲盤,並逐漸形成各個行星及其衛星。德國的魏紮克、美國的何伊伯也都是這一觀點的擁護者。

  太陽係

  太陽係(solar system)是由太陽、8顆大行星、66顆衛星以及無數的小行星、彗星及隕星組成的。

  行星由太陽起往外的順序是:水星(mercury)、金星(venus)、地球(earth)、火星(mars)、木星(jupiter)、土星(saturn)、天王星(uranus)、海王星(neptune)。離太陽較近的水星、金星、地球及火星稱為類地行星(terrestrial planets)。宇宙飛船對它們都進行了探測,還曾在火星與金星上著陸,獲得了重要成果。它們的共同特征是密度大(>3.0克/立方厘米),體積小,自轉慢,衛星少,內部成分主要為矽酸鹽(silicate),具有固體外殼。離太陽較遠的木星、土星、天王星、海王星稱為類木行星(jovian planets)。宇宙飛船也都對它們進行了探測,但未曾著陸。它們都有很厚的大氣圈,其表麵特征很難了解,一般推斷,它們都具有與類地行星相似的固體內核。在火星與木星之間有100000個以上的小行星(asteroid)(即由岩石組成的不規則的小星體)。推測它們可能是由位置界於火星與木星之間的某一顆行星碎裂而成的,或者是一些未能聚積成為統一行星的石質碎塊。隕星存在於行星之間,成分是石質或者鐵質。

  太陽

  太陽是太陽係中是離我們最近的一顆恒星。但我們對它還有很多未知的東西。1997年3月9日,發生在中國北方漠河的日全食,讓每一位親臨現場的觀眾都大開眼界。就在那一瞬間,明亮的天空被一道黑幕合上,太陽被月影完全遮掩。此時,人們驚異地看到“黑太陽”周圍一團白色的光圈。而且,在太陽的上下兩地區,這層光圈內竟排列著一道道發散狀羽毛樣的東西。那麽,太陽怎麽會生出“羽毛”呢?

  日冕與極羽

  這要先從日冕說起。在日全食發生時,平時看不到的太陽大氣層就暴露出來了,這就是冕。日冕可以從太陽色球邊緣向外延伸到幾個太陽半徑處,甚至更遠。人們曾形容它像神像上的光圈。它比太陽本身更白,外麵的部分帶有天穹的藍色。日冕的形狀是有變化的。人們通過觀察發現,自19世紀末以來,日冕的形態隨太陽黑子活動的周期(約11.2年)在兩個極端的類型之間變化。極衰期的日冕往往在太陽兩極表現出一種像刷子上的一簇簇羽毛似的結構,人們叫它“極羽”。一般認為,聚集在太陽極區的日冕等離子氣體,由起著側壁作用的磁場維持其流體靜力學平衡,並因此形成極羽。

  太陽耀斑

  太陽色球層中運動最劇烈的是耀斑,又叫做色球爆發。用望遠鏡觀察,有時可以發現,在光球層黑子附近會突然出現局部增亮現象,並且在幾秒鍾內,亮度和麵積迅速增大,爾後再慢慢消失。一般將增亮麵積超過3億平方千米的稱作耀斑,小於3億平方千米的稱作亞耀斑。耀斑爆發時要釋放出巨大的能量,大耀斑在十幾分鍾內釋放出的能量,相當於100億顆百萬噸級的氫彈爆炸產生的能量。

  耀斑的產生

  色球層耀斑會產生大量的紫外線、X射線和γ射線輻射,並拋出大量的高能粒子。它們到達地球後,對於地球的影響也是非常明顯的。例如,它們擾亂地球磁場,引起磁暴;強烈的輻射破壞地球電離層,致使短波通訊中斷。耀斑是如何產生的呢?一般來說,耀斑能量來自於磁場,是一個巨大的強磁場區域的突然瓦解。然而誘發磁場迅速瓦解的原因是什麽呢?科學家提出了幾十種關於耀斑的理論模型,為了驗證其正確與否,人類對耀斑除了進行地麵觀測之外,還發射了一些航天器在太空中進行全麵觀測。但要最終揭開它的秘密還需要一段時間,世界各國的天文學家正為此努力工作著。

  恒星誕生的奧秘

  在無數星星中,除了少數行星外,其餘都是自己會發光且位置相對穩定的恒星。它們像長明的天燈,萬世不熄。太陽是距我們最近的一顆恒星。其他恒星離我們都非常遙遠,離得最近的比鄰星也在4光年以外。恒星都是十分龐大的天體。例如,太陽的直徑約為140萬千米,相當於地球的109倍,體積比地球大130萬倍。1955年,蘇聯著名天文學家阿姆巴楚米揚提出超密說。他認為,恒星是由一種神秘的“星前物質”爆炸而形成的。具體地講,這種星前物質體積非常小,密度非常大,但它的性質人們還不清楚。不過,多數科學家都不接受這種觀點。與超密說不同的是彌漫說,其主旨是認為恒星由低密度的星際物質構成。其淵源可以追溯到18世紀康德和拉普拉斯提出的星雲假說。

  構成恒星的物質

  星雲是構成恒星的物質,但真正構成恒星的物質量非常大,構成太陽這樣的一顆恒星需要一個方圓900億千米的星雲團。從星雲聚為恒星的過程可分為快收縮階段和慢收縮階段。前者曆經幾十萬年,後者曆經數千萬年。星雲快收縮後半徑僅為原來的百分之一,平均密度提高1億億倍,最後形成一個“星胚”。這是一個又濃又黑的雲團,中心為一密集核。此後進入慢收縮,也叫原恒星階段。這時星胚溫度不斷升高,溫度升高到一定的程度就要閃爍發光,以示其存在,並步入恒星的幼年階段。但這時恒星尚不穩定,仍被彌漫的星雲物質所包圍著,並向外界拋射物質。

  恒星的肖像

  在靜寂的夜空中,人們看到天上的星星都是閃的,除了大小和亮暗之外沒有區別。事實上是不是這樣呢?當然不是,每顆恒星都有自己的獨特相貌。早在中國的漢代,我們充滿智慧的祖先,通過細心觀察,已經把恒星分成白、赤、黃、蒼、黑5種顏色。1665年,英國的牛頓利用三棱鏡發現了太陽的連續光譜,從而知道日光是由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等各種不同顏色的光混合而成的。

  打開恒星相貌奧秘的“鑰匙”

  1814年,德國的夫琅和費用分光儀作太陽光譜的研究。他們在暗室的百葉窗上開了一條狹縫,讓太陽光通過狹縫照射到一塊棱鏡上,棱鏡後麵則是一架小望遠鏡。夫琅和費通過小望遠鏡,驚奇地發現太陽的“七色彩帶”樣的光譜中又出現了許多條暗線。經過反複計數,這樣的暗線共有567條之多。根據前人的幾項發現,我們已經逐漸了解恒星的真實肖像。恒星顏色的不同,表明各個恒星溫度不同,比如白色溫度高,紅色溫度低,所以說光譜是了解恒星的“鑰匙”。

  反物質

  “反物質”是和物質相對立的一個概念。眾所周知,原子是構成化學元素的最小粒子,它由原子核和電子組成。原子的中心就是原子核,原子核由質子和中子組成,電子圍繞原子核旋轉。原子核裏的質子帶正電荷,電子帶負電荷。從它們的質量看,質子是電子的1840倍,形成了強烈的不對稱性。因此,20世紀初有一些科學家就提出疑問,二者相差這麽懸殊,會不會存在另外一種粒子,它們的電量相等而極性相反?

  反粒子的發現

  1928年,英國青年物理學家狄拉克從理論上提出了帶正電荷“電子”的可能性。這種粒子,除電荷同電子相反外,其他都一樣。1932年,美國物理學家安德遜經過實驗,把狄拉克的預言變成了現實。他把一束γ射線變成了一對粒子,其中一個是電子,而另一個同電子質量相同的粒子,帶的就是正電荷。1979年,美國新墨西哥州立大學的科學家把一個有60層樓高的巨大氦氣球,放到離地麵35千米的高空,飛行了8個小時,捕獲了28個反質子。從此,人們知道了每種粒子都有相應的反粒子。

  湮滅效應

  按照對稱宇宙學的觀點,“反物質”是存在的。這一學派認為,我們所看到的全部河外星係(包括銀河係在內),原本不過是個龐大而又稀薄的氣體雲,由等離子體構成。等離子體既包含粒子,又包含反粒子。當氣體雲在萬有引力作用下開始收縮時,粒子和反粒子接觸的機會就多了起來,便產生了湮滅效應,同時釋放出巨大能量,收縮的氣體雲開始膨脹。這就是說,等離子氣體雲的膨脹,即是由正、反粒子的湮滅引起的。

  推論

  人們根據反粒子,自然聯想到反原子的存在。一個質子和一個帶負電荷的電子結合,便形成了原子,那麽一個反質子和一個帶正電荷的“電子”,不就形成了一個反原子了嗎?類推下去,豈不會形成一個反物質世界嗎?理論上,這是成立的。但經研究發現,粒子和反粒子一旦相遇,就會“同歸於盡”,轉化成高能量的光子輻射。

  
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