天體尺度上的重大災變事件
——太陽系演化的插曲

趙君亮

研究員,中國科學院上海天文臺,上海200030

天體尺度上的重大災變事件
——太陽系演化的插曲

趙君亮

研究員,中國科學院上海天文臺,上海200030

太陽系 行星 行星環 小行星 碰撞

太陽系經歷了約50億年的演化史。在這漫長的時期中,短時標的災變事件可能對一些太陽系天體(包括行星、月球和其他衛星、小行星以及行星環等)的形成和演化起了某種決定性的作用。

1 太陽系起源的星云說

太陽系的起源與演化,是天體物理學的一個重要研究內容。從歷史上看有關太陽系起源的學說不下數十種,它們大體上可以分為三大類,即災變說、俘獲說和星云說。

1745年,法國動物學家布豐首次提出關于太陽系起源的災變說。他受1680年一顆大彗星接近太陽的啟發,設想遙遠的過去曾有一顆大彗星擦撞太陽的外緣,于是太陽便轉了起來,而被撞出的物質繞太陽旋轉并最終形成諸多行星。該學說的致命缺陷是彗星質量太小,與太陽碰擦不可能撞出質量比它大得多的行星物質,更不可能使原本不轉的龐然大物——太陽轉起來。可歸類于災變說的還有1916年英國天文學家金斯提出的潮汐說:曾有一顆恒星接近太陽,恒星潮汐力從太陽表面拉出一長條物質并繞太陽轉,隨著恒星的遠離拉出物漸而變長并與太陽本體脫離,最終凝聚為行星。不過,后來的理論工作否定了這種可能性。

俘獲說主張先生成太陽,行星和衛星等是在太陽形成后,從鄰近的星際空間中俘獲物質而形成,1944年蘇聯天文學家施米特的“隕星說”即屬此類。他認為在幾十億年前,太陽以5 km/s的相對速度,進入一個尺度為10光年的星際云,并在60萬年內俘獲了約3%太陽質量的星際物質。這些物質在太陽周圍逐漸形成一個扁平的星云盤,并進而演化為行星和衛星。不過,問題在于出現這種俘獲事件的可能性實在太小。

星云說最早由德國哲學家康德(1755年)和法國數學家拉普拉斯(1796年)獨立提出,他們的觀念本質上是相同的,即太陽系天體起源于同一原始太陽星云。康德的學說側重于哲理,拉普拉斯則從數學和力學上進行論述。鑒于拉普拉斯的學術威望比康德高得多,使學說得以廣泛傳播,后人稱為康德-拉普拉斯星云說。

關于太陽系起源的現代星云說,是在康德-拉普拉斯星云說基礎上發展起來的,它能解釋太陽系內的大部分觀測事實,因而為大多數天文學家所接受。這種學說認為,在約50億年前,銀河系中有一團總質量為幾千倍太陽質量的氣體塵埃云。這團星云在自引力作用下逐漸收縮,因內部湍流和渦流的作用,大星云碎裂成許多云塊,其中之一便是太陽系的前身——原始太陽星云,質量不超過1.2倍太陽質量。原始太陽星云有自轉,這是原來大星云中的湍流和渦流殘留下來的運動。這團星云在萬有引力的作用下繼續收縮,中心區占絕大部分的物質形成太陽,同時收縮過程中星云的自轉漸而變快,外圍部分物質最終演變為扁平狀,形成一個星云盤(圖1,見彩插一)。

太陽形成后,由于太陽輻射和太陽風的作用,星云盤中靠近太陽的氣體被向外推離,使這部分盤區內的塵埃含量相對較高,盤外圍部分則是氣體含量比較高。另外,物質的密度是內圈較高,離開太陽越遠密度越低,而行星就是在這種狀態的星云盤中形成的。這一過程的大致情況是,星云盤內的塵埃微粒在運動中互相碰撞,結合成大小不同的顆粒。較大的固體顆粒在太陽引力、離心力、氣體壓力等因素的作用下,逐漸沉到盤的中央平面附近,在盤內形成一個更薄的“塵層”。隨著塵層內物質密度的增大,就會出現引力不穩定和轉動不穩定現象,使塵層瓦解為許多顆粒團。顆粒團繼續收縮和聚集,先形成一些小的團塊,并進而因相互碰撞而結合成尺度1～10 km的較大團塊,稱為星子。

大星子引力較強,在運動過程中會不斷吸積所遇到的物質和小星子并迅速長大。星子間的引力使其軌道變得復雜化,星子和星子更頻繁地接近、交會甚至碰撞,于是大星子便越長越大。如兩個星子大小懸殊,或相對速度不太大,它們就會結合在一起;否則,它們就會撞碎,而大多數碎塊最終又會被大星子所吸積。在這種碰撞、吸積和并合的復雜過程中,行星盤中的某些區域內會產生一個相對最大的大星子,這就是行星胎。

行星胎形成后,物質集聚過程大大加快,最終形成了一顆顆大的行星。在盤內圈生成的行星,因塵埃局域含量較高,所以是一些固態的類地行星。位于盤外圈的行星,由于星云盤的主要成分是氣體,故而生成如木星那樣的氣態行星——類木行星。在一些行星的周圍,大的規則衛星之形成很可能是行星形成過程在較小規模上的再現,而那些沒能形成行星的星子,經嗣后的演化便形成了小行星、彗星和一些行星的不規則小衛星。

從星云盤到最終形成行星,大約只需要1千萬年到幾億年的時間。因此,與太陽和太陽系主要天體的年齡(近50億年)相比,太陽系成員可認為是在同一時期段內相當快地形成的。從這個意義上說,太陽系主要天體的形成亦可算是一種短時標的災變式事件——原始太陽星云的物理本質在短時間內發生了根本性的改變。

2 演化中的異常插曲

太陽系天體與宇宙中一切事物一樣處于不斷運動之中,并主要表現為天體繞自身某個軸的自轉,以及繞母天體的公轉兩種形式。對衛星來說,母天體指的是衛星繞之轉動的行星;而對行星、小行星和彗星來說,母天體就是太陽。

在公轉方面,無論是行星、彗星或小行星繞太陽的公轉,還是衛星繞其母行星的公轉,都服從開普勒行星運動三定律。因此,離開太陽(或行星)越遠,行星(或衛星)的運動速度就越慢。以行星為例,最接近太陽的水星之公轉周期僅為88天,海王星的公轉周期則長達165年。

對于行星和行星周圍的一些規則衛星來說,它們的運動存在著一些重要的規律性:無論是行星繞太陽的公轉,還是衛星繞行星的公轉,以及行星和衛星的自轉,都表現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、或衛星繞母行星的公轉軌道,都是一些偏心率非常小的橢圓,或者說絕大部分公轉軌道都很接近圓形,這就是近圓性。行星繞太陽的公轉軌道面,以及衛星繞母行星的公轉軌道面,與地球公轉軌道面(黃道面)的交角大多比較小,稱為共面性。行星和衛星的公轉及自轉大多有著大致相同的方向,從地球北極上方很遠處向下看,這個方向是逆時針的,這就是同向性;對于自轉來說,同向性又表現為行星和衛星的赤道面與黃道面的交角不大。這些特征說明,太陽系主要天體的運動狀態頗為“步調一致”。

不過,除了上述共性運動特征外,也還存在少數例外。明顯不符合同向性的是金星的逆向(順時針)自轉和天王星的側向自轉,這2顆行星的赤道面與公轉軌道面的交角分別為177°和98°。由于天王星衛星的公轉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軌道面與天王星繞太陽的公轉軌道面同樣交98°角,這又不符合共面性規律。此外,水星公轉軌道的偏心率為0.206,與其他行星的軌道相比是較為扁的橢圓,共圓性較差。

任何有關太陽系起源和演化的學說,都必須對太陽系天體的上述共性運動特征以及少數例外做出合理的解釋。

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

為說明不符合共性特征的少數例外,特別是金星和天王星的自轉狀態,人們提出了各種解釋機制。一種觀點認為,在行星形成后不久,行星際空間還游弋著大量星子,而其中大星子對個別行星的猛力撞擊完全有可能使行星運動狀態發生劇烈變化,從而破壞原有的共性特征。有人就此作了估算后發現,如果一個直徑11 600 km、質量4.5×1021t(約及天王星質量的1/20)的大星子,沿拋物線軌道與天王星發生擦邊碰撞(稱為掠撞),那么撞擊的能量足以撞翻天王星,使其自轉軸方向發生很大的變化而成為目前的側向自轉狀態,同時撞出的部分碎片生成了天王星環系。大星子的撞擊災變觀念同樣可以解釋金星的逆向自轉:如金星的自轉方向本來符合同向性,那么一個質量為5.4×1019t(相當于金星質量之1/100)的大星子從相反方向掠撞金星,便足以把金星的自轉方向顛倒過來,使它變為目前的逆向自轉。

若此類撞擊事件確實發生過,那么非常幸運的是在太陽系演化過程中,“肇事”大星子沒有撞上地球。不然,地球有可能被撞出現有軌道,而今天五彩繽紛的世界也就不復存在了。當然,上述大星子撞擊說僅是一家之言,而造成這種特別重大災變事件的大星子今天已不存在,它們在太陽系演化過程中,或者與行星并合,或者成了行星的衛星,也可能演變為小行星。但是,規模相對小一些的天體撞擊事件,即使在今天的太陽系內仍時有發生。

造成金星和天王星自轉方向與其他行星不同的大星子撞擊說,引入了某種災變機制,而這類災變事件所涉及的能量之大,是導致恐龍滅絕的尤卡坦事件完全不能相比的。比如,若設想中的大星子以5 km/s的速度(略小于天王星的平均公轉速度5.4 km/s)掠撞天王星,因撞擊把1/100的動能傳遞給天王星,那么這部分能量約為5.6×1028J,超過尤卡坦事件所釋放能量的8萬倍!

3 碰撞事件誕生了月球

月球是地球唯一的天然衛星,月球公轉軌道(白道)偏心率為0.055,白道面與黃道面的傾角5°09′,月球的自轉和公轉方向與地球相同,因而月球運動符合近圓性、共面性和同向性規律。作為地球的近鄰,月球的起源問題很早就受到人們的關注,并從理論上提出了諸多種學說,其中的大碰撞說涉及到太陽系內的災變事件。

最早面世的可能是同源說。這種理論認為,地球和月球由同一塊行星際塵埃云演化而成,大部分物質形成地球,小部分形成月球。地球形成在先,物質以鐵為主要成分,并以鐵為核心;月球形成在后,由殘留在地球周圍、以非金屬成分為主的物質聚集而成,月球和地球的平均密度和化學成分有所不同。

瑞典天文學家阿爾文于1942年提出俘獲說。它的基本思想是,月球和地球形成于不同的地方,因偶然的機會月球運行到地球附近并為地球所俘獲,即成為地球的衛星。有人認為這一事件約發生在35億年前,而整個過程歷時5億年左右。這種學說能較好說明地球和月球在物質組成上的差異。不過,盡管有些行星的小衛星很可能是俘獲來的,但月球質量約為地球的1/81,在太陽系衛星/行星質量比排行榜中高居首位,地球要俘獲如此大質量的月球之可能性極小。

分裂說最早由著名生物學家達爾文的次子喬治·達爾文于1880年提出。現代分裂說認為,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。當時地球物質尚處于熔融狀態,且自轉很快。快速自轉使原始地球在赤道方向上變扁、拉長,進而成為一端凸出的梨狀體。突出部分最終在細頸位置處斷開,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離地球,經過45億年的漫長時光,最終到達現在的位置上。分裂說能較好解釋月球物質的平均密度和化學組成與地幔相近,而與地球的總體情況迥異。但理論研究表明,當時的地球決不可能分離出月球那么大一塊物質。另外,如月球確是從地球上分離出去,其公轉軌道應該位于地球赤道面附近,但事實上卻是靠近黃道面,而黃道面與赤道面之交角達23°27′,這也對分裂說提出了質疑。

為了克服上述學說所面臨的若干難題,兩位美國科學家哈特曼和戴維斯于1975年首先提出了關于月球起源的第四種理論——大碰撞說。這種學說引入了月球起源的撞擊災變機制:在太陽系行星形成之初,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,在運動中與原始地球猛烈碰撞。由于撞擊方向明顯偏離地球中心,結果使地球自轉軸發生傾斜,同時生成大量碎片。撞出物并未擺脫地球引力的束縛,它們繞著地球運轉并互相碰撞、吸積或并合,最終誕生了一個繞地球轉的相當大的衛星——月球,這一過程與行星形成相類似。大碰撞說成為解釋月球起源的主流假說(圖2,見彩插一)。

月球的大碰撞起源說可以較為合理地解釋地-月系統的一些重要特征,如地球自轉軸對黃道面的傾斜,月球公轉軌道面與地球赤道面不重合,月球物質的平均密度明顯比地球來得低,地球有一個巨大的鐵質地核而月球卻沒有,等等。有人還通過理論計算進一步說明,發生如此大規模的碰撞災變是有可能的。因此,大碰撞說得到學術界的廣泛支持,被稱為是一種“最好的學說”,成為解釋月球起源的主流假說。

從月球起源學說的發展史可以看出,人們對太陽系內發生各種形式撞擊災變事件的普遍認可,并進而認識到這類短時標“插曲”在太陽系天體演化過程中可能發揮的重要作用。

4 小行星起源的多種學說

自1801年元旦意大利天文學家皮亞齊發現第一顆小行星谷神星(現已被重新分類為矮行星)以來,迄今發現的小行星已數以十萬計。絕大部分小行星的直徑小于1 km,且形狀很不規則,總體上說它們只是在太陽系空間中游蕩的一些小碎塊。據估計全部小行星的總質量約為2.1×1018t,不到月球質量的1/30。大部分小行星在火星和木星軌道之間運動,形成小行星帶,軌道大多是一些不太扁的橢圓。少數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時會伸入地球、甚至深入到金星或水星軌道之內。任何關于小行星起源的理論必須對上述主要觀測事實做出解釋(圖3,見彩插一)。

2號小行星智神星的發現人、德國業余天文學家奧伯斯可算是最早探究的小行星起源問題的學者。3號小行星婚神星發現后,人們發現其軌道與谷神星和智神星軌道很接近,奧伯斯更進一步注意到這3顆小行星的軌道都交會于室女座,于是他認為這些小行星應該源自一顆大的行星,后者在過去的一次災變事件中爆炸碎裂,殘留的碎片便成了形狀不規則的小行星。隨著小行星不斷發現,上述看法發展成了比較完整的“爆炸說”:在太陽系演化早期的火星和木星軌道之間某個地方,原來存在一顆如火星或更大的行星,后來由于某種原因發生了爆炸,殘留下來的大小碎片便成了現在觀測到的眾多小行星。

到20世紀后期小行星起源的爆炸說已經被人們所拋棄,其致命弱點是對爆炸起因無法給以合理的解釋,根本就找不到任何能令人信服的爆炸機制。此外,按照爆炸說所有小行星的軌道應相交于爆炸發生地,而事實上許多小行星的軌道相差很大,用爆炸說來解釋極為勉強。另一個問題涉及到小行星的質量:估計所有小行星的總質量不及地球質量的1/800,這應當就是生成它們的前身行星的質量,而這個數字實在是太小了——如把所有小行星物質都捏在一起合成一個球形天體,該天體的直徑也不大可能超過1 000 km!

美籍荷蘭天文學家柯伊伯曾提出,在太陽系演化過程中,火星和木星軌道之間沒能形成單一的一顆大的行星,而是生成5～10個比較小的小天體——原行星;它們在長期演化過程中不斷互相碰撞、碎裂,最后便形成今天所看到的小行星。顯然,這是對奧柏斯觀念的一種修正,以多次碰撞的小規模災變取代一次性爆炸的大規模災變,從而避開了爆炸機制難點。然而,柯伊伯并沒有解釋那些原行星是怎樣來的,他只是說明了小行星的演化,沒有解決它們的起源問題。

20世紀70年代,瑞典科學家阿爾文等人提出了“半成品說”,以圖解釋小行星的起源。這種學說認為,在太陽系形成初期,位于火星和木星軌道之間的太陽系原初物質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,中國天文學家戴文賽通過定量計算,把“半成品說”論點大大地推進了一步,其中特別是較好地說明了未能凝聚成大的行星之物理原因。顯然,“半成品說”沒有引用任何災變機制。

鑒于小行星觀測特征的多樣性,上述學說都難以說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。彗星演化說便是有關小行星起源的另一類學說。遠離太陽時彗星只有彗核,與小行星無本質上的差別,所以有人認為這兩類天體可能代表了某種演化序列。彗星接近太陽時會形成彗發和彗尾,同時損失一部分質量。彗星多次回歸太陽后,表面的揮發性物質消耗殆盡,剩下的彗核也就成了一顆小行星。

5 行星環的災變成因

太陽系天體形態各異,即使在行星附近,圍繞行星轉動的就有衛星和行星環兩種完全不同的天體形態。那么,衛星和行星環之間是否存在演化上的關聯呢?

自1659年荷蘭科學家惠更斯證實土星光環的存在以來,人們一直以為在太陽系內唯獨土星才有環,土星環成了太陽系天體中的稀罕品(圖4,見彩插一)。經300多年后,在1977,1979和1989年相繼發現了天王星環、木星環和海王星環后,土星環獨尊的觀念才得以徹底改變,并引起天文學家們的極大興趣。關于行星環的本質,早在1856年英國物理學家麥克斯韋已從理論上證明,土星環必然是由圍繞土星旋轉的無數“迷你衛星”組成的物質系統,而不可能是整塊固態物質盤。40年后的觀測發現,土星環不同部分的轉動速度隨到土星中心距離的增大而減小,與剛體轉動的情況相反,從而證實了麥克斯韋的觀點。

為了解釋行星環的形成,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星級天體的災變事件。

衛星到行星的距離不能近于某個限值,否則衛星會被行星的巨大引力所瓦解而不復存在,這個最小距離稱為洛希極限,由法國天文學家洛希首先提出。洛希極限的具體數值與衛星繞以轉動的母行星的半徑和密度以及衛星的密度有關。行星環形成的潮汐理論認為,在洛希極限之外形成的衛星,因公轉軌道縮小走近行星而到達洛希極限時,會被行星的潮汐力瓦解,這一災變事件的結果便形成了行星環。

另一種行星環形成理論是凝聚說:組成行星環的物質是在現有位置附近,通過微粒互相間的凝聚而形成的。一開始這是一種非引力過程,當微粒增大到一定大小后引力開始起主導作用,粒子繼續長大。鑒于粒子處于洛希極限之內,因行星潮汐力的作用,眾多粒子不可能進一步“長大”成為衛星,它們保持了原有的盤狀結構而成為行星環。根據這種理論,行星環的形成與衛星沒有直接的關系,也沒有涉及災變事件。

碰撞說的基本思想是,早期在行星環現在所處的位置上曾經有過一個或幾個很小的衛星。它們的引力太小,一旦遭到流星體的撞擊,撞擊產生的碎片就能從小衛星的表面逃逸,其中一部分未被產生碎片的母體小衛星重新俘獲,但卻沒能擺脫母行星的引力束縛,而大量的這類碎片最終便構成了繞行星轉動的環。

4個類木行星的周圍都有行星環,這些環在結構、范圍、完整性等方面的特征又不盡相同,說明不同行星的環很可能有不同的形成機制。戴文賽認為土星環是因規則衛星的軌道縮小,并進入洛希極限后瓦解形成的;但天王星環則是因為大星子撞擊天王星,從天王星撞出的大量碎粒物質生成的。這兩類過程都涉及到太陽系

天體的災變事件。

(2009年11月26日收到)

(責任編輯: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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