太陽系的起源

前言

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本章將先介紹太陽系 的成員與主要特性,進而利用己知的知識來探討太陽系的起源。

首先讓我們來瀏覽太陽系的成員與主要特性。

太陽系的成員

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太陽系主要成員有:太陽、 九大行星 、柯伊伯帶與歐特雲。

全部成員:

  1. 類地行星與類木行星

    太陽系的行星大致可分為兩大類:

    1. 類地行星

      成員包括有水星、金星、地球、火星。

      是小而密的岩石世界,具有較稀少的大氣。

      內部結構 :中心有金屬核心,外為石質的地殼所包圍,表面有相當多的坑洞,平均密度約為3-5 g/cm3

    2. 類木行星

      成員包括有木星、土星、天王星、海王星。

      是體積大、質量大、但是密度小的氣體世界,具有濃密的大氣。平均密度約≦1.75 g/cm3,土星的密度約為0.7 g/cm3,木星質量約為地球的318 倍。

      結構 :由內而外,中心有岩石核心、液態金屬氫、液態分子氫、充滿氣體的大氣層,表面有漩渦狀的雲層。另有行星環 及為數眾多的衛星環繞著。

  2. 太陽系的殘渣
    • 小行星帶

      是微小的岩石世界,

      是由一些無法形成行星的物質所組成的。

      大部份散佈在距離太陽2.8AU 處,亦即火星與木星之間。

    • 彗星

      主要分為彗核與彗尾兩部分:

      彗核:由冰、二氧化碳與塵埃所組成"髒雪球" (dirty snowball),直徑約幾十公里。

      彗尾:太陽的輻射蒸發冰,放出氣體與塵埃,再經太陽風與太陽光壓的推送而形成的。

    • 流星體(Meteoroid)

      在太陽系的太空中飄遊的微小行星。

    • 流星(Meteors)

      流星體經過大氣時,因與空氣摩擦而發出短暫的光芒者。

      隕石(Meteorite) :流星掉落地面者。

  3. 柯伊伯帶與歐特雲

    柯伊伯帶與歐特雲都是彗星的出生地。

    • 柯伊伯帶(Kuiper Belt)

      界於冥王星與奧特雲之間,呈帶狀分佈的冰晶,是短週期彗星的誕生地。

    • 歐特雲

      在距離太陽五萬天文單位到一光年之間,呈球殼狀分佈的冰晶,是長週期彗星的誕生地。

太陽系的主要特性

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  1. 公轉

    所有行星的公轉都是以逆時鐘方向運行,而中央的太陽也是以相同的方向自轉。除了水星、冥王星的公轉軌道與黃道面的夾角分別為7°、17.2°、其它行星的公轉軌道與黃道面的夾角都小於3.4°。除了水星、冥王星外,其餘行星的公轉軌道都很接近圓形。(參見附表:太陽系的重要數據)

    這些資料告訴我們:太陽系很像是逆時針自轉的盤子。

  2. 自轉

    行星的自轉大都是以逆時鐘方向運行,和太陽類似,只有金星、天王星是以順時鐘方向運行。

    行星的自轉軸與黃道面法線的夾角小於30°,只有天王星較特殊為98°。(參見附表:太陽系的重要數據)

  3. Titius -Bode 規則

    Johann Titius (1766) 與Johann Bode(1772) 找出行星。與太陽之間距離的規則、其中包括了小行星帶,但是無法包括海王星。

    這些資料告訴我們:行星的形成是來自於一些有序的過程

  4. 衛星系統

    除了水星與金星外,其餘的行星都有一個以上的衛星,衛星繞行星運行與自轉,與太陽系大約一致,這些行星—衛星系統像是具體而微的小太陽系。

  5. 行星組成的差異
    • 內行星(水星、金星、地球、火星):

      體積小而密度高的岩石世界 ,大氣稀薄。

    • 外行星(木星、土星、天王星、海王星):

      體積大、質量大,密度小的氣體世界

  6. 殘渣

    太陽系的外圍有柯伊伯帶與歐特雲,太陽系"化石"—彗星的來源。

  7. 太陽系的年齡

    最古老的地球岩石,年齡約39 億年。

    最古老的月岩,年齡約45 億年。

    隕石的年齡約46 億年。

    恆星演化理論推斷太陽的年齡約46 億年。

    這些資料告訴我們:太陽系的成員大致有相同的年齡∼50 億年

太陽系的起源

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在此我們將根據太陽系的主要特性來推論太陽系的起源。我們將先說明太陽系中物質的來源,接著談一談太陽系的誕生與行星是如何形成的。

  1. 太陽系中物質的來源

    較輕的元素(如氫與氦)是宇宙大爆炸之後所留下來的,約25% 的氦,75% 的氫,與極少量的其它元素。

    在霹靂爆炸後,接著物質形成,物質再聚集一起,形成星系(galaxy ) 與恆星。

    在恆星的內部產生核融合,輻射出能量並製造較重的元素。

    經由超新星爆炸產生比鐵還重的元素,進而將重元素散佈到太空中。這意味著:

    Stars have died that we might live 。

  2. 太陽系的誕生

    一星際雲氣由於本身的重力影響開始塌縮,塌縮使得雲氣變扁平而且轉速愈快,最後,變成一扁平而盤狀的雲氣繞著一開始發光的恆星(太陽)。

    1. 觀測証據
      • IRAS 測得織女星附近的恆星,都被球殼狀的雲氣(塵埃)所包圍著。
      • 智利的Las Campanas 天文台,測得到βPictoris 被一盤狀的雲氣所包圍著。
      • 獵戶座大星雲的原恆星
    2. 凝結序列(condensation sequence)

      不同的物質會在不同的溫度區域(離太陽遠近)凝結。例如金屬會在溫度較高處凝結,甲烷會被熱輻射吹到溫度較低處才凝結。這說明了類地行星與類木行星的差別,也說明行星的形成是來自於一些有序的過程。

    3. 行星的形成

      類地行星是經由碰撞聚集固態的物質顆粒成為微小行星,再聚集微小行星形成的(類地行星形成示意圖)。

      類木行星以水冰相互吸附為起點,質量夠大後,進一步吸附氫、甲烷,形成氣體行星。

    4. 衛星系統的形成

      類木行星的衛星,是外圍的氣態物質,因局部渦流而形成盤狀,後來的產生而凝聚形成的。使得類木行星基本上表現的類似一個小太陽系,有許多衛星環繞著。而類木衛星的公轉與自轉也和太陽系相似。

    5. 柯伊伯帶與歐特雲的形成

      太陽熱輻射,將行星及小行星之外的其它星際塵埃吹離太陽。類木行星也將部份附近的殘渣,經由重力協助,拋到太陽系外圍,形成歐特雲與柯伊伯帶。

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