星系的形成與演進和宇宙的膨脹現象及暗物質與暗能量

鐘萃相

【摘 要】筆者通過研究月球和地球的起源，發現了衛星和行星的形成和變軌機制，從而可以揭示太陽系及其他宇宙星系的形成和演進規律，并能科學地解釋為什么環繞太陽的八大行星都是順行的，為什么八大行星的軌道幾乎處于同一個平面，為什么八大行星多數自西向東旋轉。還能揭示每個星系的結構是樹形層次結構，宇宙的膨脹是一種假象。帶動星系運動的暗能量就是星系結構中存在的多層次萬有引力。

【關鍵詞】星系；形成；演進；星系結構；宇宙膨脹；暗物質；暗能量

The Formation and Evolution of Galaxies and the Expansion of the Universe as well as Dark Matter and Dark Energy

ZHONG Cui-xiang

（Jiangxi Normal University， Nanchang Jiangxi 330022， China）

【Abstract】Through a study on the origin of the Moon and the Earth， the author of this paper has discovered some formation mechanisms and orbit-variation mechanisms of natural satellites and planets， therefore could reveal the formation and evolution of the Solar System and other galaxies in the universe. Especially， the author could also explain why the eight planets around the Sun are prograde planets， why the orbits of the eight planets almost lie in the same plane， and why most planets rotate around their own axes from west to east. Additionally， the author could also explain the structure of cosmic galaxies and the expansion of the universe as well as dark matter and dark energy.

【Key words】Galaxy； Formation； Evolution； Galaxy structure； Universe expanasion； Dark matter； Dark energy

0 引言

關于星系的形成和演化至今眾說紛紜、莫衷一是[1-2]。比較有影響的假說大致可以分為兩類：一類是上下理論，另一類是下上理論。其中上下理論是指：星系是在一次宇宙大爆炸中形成，發生在147億年前。顯然該理論并未給出宇宙爆炸的充足理由和合理結果，令人難以置信。而下上理論則是指：星系是由宇宙中旳微塵所形成；原本宇宙有大量的球狀星團（globular cluster），后來這些星體相互碰撞而毀滅，剩下微塵；這些微塵經過組合再形成星系。事實上，這個理論也不完善，缺乏科學依據，有許多無法解釋的事實。為此，作者通過研究月球和地球的起源，發現了衛星、行星和恒星的形成和演進機制，從而可以揭示太陽系及其他宇宙星系的形成和演進規律，科學地解釋星系結構和宇宙膨脹。

1 月球的形成和演進

1.1 原有假說的脆弱性

對于月球的形成，人們提出了多種假說[3]。一種假說是分裂說，即有人認為在太陽系形成初期，地球和月球原是一個整體，那時地球還處于熔融狀態，由于地球自轉非常快，因此月球通過離心力從地殼中分裂出來了，但這要求地球的初始旋轉速度太快以至難以令人置信。事實上，作者近來的研究表明在地球形成之初，地球繞太陽的軌道很近，地球應該像水星和金星那樣自轉速度很慢，因此這種假說明顯有錯。另一種假說是俘獲說[4]，即有人認為月球是地球通過地心引力俘獲的現成天體，但這要求一個實際上不可行的擴展的地球大氣層來散發穿過大氣層的月球的能量。還有一種假說是同源說，即有人認為地球和月球是在同一個原始吸積盤里形成的，但這無法解釋月球中金屬鐵的剝奪。而且這些假說還不能解釋地-月系統所要求的高標準角動量。

當今占上風的假說是碰撞說[5]，即有人認為地-月系統是一次大碰撞的結果：一個火星大小的天體撞上剛剛形成的原始地球，爆炸的物質進入環繞地球的軌道，然后積聚形成月球。然而，隕石分析表明火星和灶神星這些太陽系內的天體具有與地球大不相同的氧和鎢同位素組成，而地球和月球具有幾乎相同的同位素組成。發表在2012年的對Apollo月球樣本所作的鈦同位素分析也表明月球和地球具有相同的組成[6]，這與月球形成的碰撞說相矛盾。另外，若真的發生了這樣的碰撞，則碰撞過程中所釋放的巨大能量以及隨后在地球軌道中發生的物質重聚將融化整個地球外殼，形成巖漿海洋。新形成的月球上也有它自己的巖漿海洋，估計海洋深度從500km到整個月球半徑之長。然而事實并非如此，可見碰撞說也不成立。

既然月球既不是被地球俘獲的一個現成天體，也不是地球與別的天體碰撞的產物，因此月球只能是地球自身的產物。但是，地球也不具有足夠的轉速來把與地球緊密相連的月球部分隨意拋出去，因此，月球應該像人造衛星那樣，構成月球的物質應該在特殊力的作用下從地球射入空中，進入繞地球旋轉的某些軌道，然后逐漸地凝聚巨大的衛星。

1.2 月球起源新解說

許多科學研究表明，大約在45億年以前，在地球成為行星之初，地球便開始出現了頻繁的火山噴發。在一些猛烈的火山噴發過程中，有些諸如火山灰、火山彈和浮石之類的碎屑在巨大的巖漿噴射力的推動下可獲得第一宇宙速度以上的飛行速度，從而進入繞地球運行的軌道，形成一層一層的環球“星云”。在這些進入繞地軌道的碎屑中有一塊體積較大的碎片就是后來形成月球的雛形。另外，當火山噴射的方向與地球自轉的方向一致時，射出的巖石碎片容易獲得第一宇宙速度（7.9km/s）以上的飛行速度，所以在環繞地球的同一軌道中順行碎片比逆行碎片多。因此，順行星子可以吸收合并更多的順行碎屑，碰撞更少的逆行碎屑，因而更容易成長為月球。這就是為什么月球是順行衛星的原因。

月球雛形最初進入的繞地軌道距離地球較近，地球周圍有大量的火山噴射物質，如火山灰、水蒸氣、SO2形成的氣溶膠等，形成環繞地球的“星云”。此外，月球軌道附近還有許多其他星際物質。后來月球雛形不斷地吸收軌道附近的這些物質而變得越來越大，并漸漸地遠離地球，成為今天龐大的月球。關于這一點，可證明如下[3]：當月球繞地球正常運轉時，地球對月球的萬有引力與月球的離心力大小相等、方向相反，假設地球的質量為M，月球的質量為m1，月球的半徑為rm，月球繞地球運轉的軌道半徑為r，轉速為v，則：

■=■→v=■

靠近月球的軌道，還有一些較小的由地球拋射物形成的星子在環地飛行，如圖1所示。假設這些星子的軌道半徑為rx，則這里所考慮的星子的軌道半徑滿足：r-rm

假設星子的運行速度為vx，則：

v■=■>■→vx>v

因此這些較小的順行星子最終將趕上月球。特別地，當一個較小的順行星子接近月球時，月球的引力又加速該星子的運動，使星子的速度大于vx。假設該星子的質量為m2， 當它撞上月球時的速度為vy，則月球與該星子合并時的離心力是：

m■·■+m■·■>（m■+m■）·■=G（m■+m■）·■

即月球繞地球旋轉的離心力大于地球對月球的引力，因而月球重心有遠離地球的趨勢。特別地，如果撞擊月球的星子足夠大，它還可能猛烈地撞擊月球，使月球的順行速度增至更大的值v2，這時：

（m■+m■）·■>（m■+m■）·■=G（m■+m■）·■

月球重心就遠離地球一段距離。總之，隨著月球質量的遞增，月球重心也在遠離地球。

此外，月球遠離地球的另一個原因是地球自轉速度的加快。這是因為地球起源于后來形成太陽的行星的衛星。起初，地球的質量較小，其上沒有濃密的大氣層，而且靠近母行星，所以它幾乎被其母行星同步鎖定，無法繞其自身軸旋轉。后來，它不斷地吸積軌道附近的“星云”物質而變得越來越大，并且漸漸地遠離母星，正如月球遠離地球那樣。隨著地球質量的增加，它可以從宇宙空間中吸收越來越多的水氣及其他氣體分子來形成自己的大氣層，甚至形成一個大水圈。當它的母星變成發光發熱的恒星時，由于它繞其母星按反時針方向旋轉，該行星上靠近母星的那一面受到來自母星陽光的照射，使該面的溫度高于背面的溫度，從而使該面蒸發起更多的水氣及其他氣體分子，這些氣體分子被高速流動且層層疊加的平流層包裹在對流層中，逃不出去，所以兩個半球的大氣體積相當。由于地球上朝陽和背陽兩個半球的大氣參數近似地滿足理想氣態方程，即pV≈nRT，其中p是指氣體的壓強，V為氣體的體積，n表示氣體物質的量，T表示氣體的熱力學溫度，而R表示理想氣體常數。因此，根據計算可知，朝陽半球的大氣壓強通常大于背陽半球的大氣壓強。又因為兩個半球的面積相當，所以朝陽半球所受的大氣壓力通常大于背陽半球所受的大氣壓力，因而朝陽半球與大氣層的摩擦力通常大于背陽半球與大氣層的摩擦力，這就會使地球在繞母星旋轉的過程中從西向東自轉。另外，由于地球正常運轉時太陽對地球的萬有引力等于地球做勻速圓周運動所需的向心力，因此當地球朝陽面所受的大氣壓力大于背陽面所受的大氣壓力時，就會使地球沿螺旋線漸漸地遠離太陽。隨著地球漸漸地遠離太陽，太陽對地球的萬有引力在漸漸地減小，但隨著地球大氣層和水圈的增長，地球朝陽面與大氣層的的摩擦力與背陽面與大氣層的的摩擦力之差只增不減，這就會使地球的自轉速度將逐漸加快。美國國家標準技術研究所在1999年的觀察結果也表明地球的自轉正在逐漸加速。由于地球的潮汐活動、內部流體活動、火山活動、地震活動等，地軸經常偏離空間里的南北軸線，每天圍繞南北軸線旋轉一次，在地球的自轉過程中地球質心的軌跡形成環繞南北軸線的一個圓圈。例如，2011年3月日本東北部海岸發生的9.0級大地震，使地軸偏移了25厘米，并使地球自轉速度加快[7-8]。因此，當地球自轉加速時，在地球萬有引力的拖曳下，月球繞地球的公轉速度也會加快，從而使月球繞地球公轉的離心力增大，最終使月球遠離地球。這就是為什么人們觀察到月球正在漸漸地遠離地球的原因。

由于同樣的原因，一批又一批地球火山噴射物或星子被驅離地球并傳送至月球，使月球在40億年中成為一個覆蓋火山灰的大衛星。

月球形成之初是一個冷卻的均質球體，但隨著月球質量和體積的不斷增加，月球內部的熱能不斷積聚，包括月球高速旋轉（速度接近7.9km/s）引起的氣流摩擦產生的熱能，月球自身引力收縮過程產生的熱能，原始月球內部化學反應而產生的熱能。正是由于月球原始熱能積聚到一定程度，才使原始月球物質發生了熔融分異，形成了月球的不同圈層：月核，月幔核月殼。

1.3 新解說的優點

根據上面的討論可知，正是在地球發生巨大火山噴發時月雛被射入繞地球運轉的軌道，然后不斷地凝聚軌道附近的星云物質而變得越來越大，并在星子撞擊或火山驅動下漸漸地遠離地球，演變成今天的月球。可見月球是由地球生成的，因此，這個月球起源新解說可被稱為“代生理論（generation theory）”。這個新解說具有許多的優點，能夠很好地回答現有解說所不能回答的許多問題。

（1）對于 “為何地球和月球具有幾乎相同的同位素組成”的問題，回答是由于月球上的物質多數是從地球上噴發出來的，少數來自星際物質，因此地球和月球具有幾乎相同的同位素組成。

（2）對于 “月球上為何缺少揮發分”的問題，回答是由于地球噴出火山巖和火山灰時揮發分散失殆盡，因此由地球噴出的火山巖和火山灰凝聚而成的月球上缺少揮發分。

（3）對于 “月球上為何缺少鐵元素”的問題，回答是在地球的形成過程中，地球經過熔融分異形成了地核、地幔和地殼三層，比重較大的鐵元素已沉入地核，較輕的元素浮在上層。月球上的物質多數是從地球火山口噴射出來的，這些物質多數來自地幔或地殼，因此月球上缺少如鐵那樣的重元素 另外，月球也經過熔融和分異，鐵元素熔融物質下沉到月球中心，形成由鐵、鎳等元素組成的月核，因此從月球表面所采的月樣往往缺少鐵元素。

（4）對于“為何月球的密度（3.3g/cc）比地球的密度（5.5g/cc）要小”的問題，回答是月球主要是由地球火山噴射出來的火山灰、浮石等物質凝聚而成的，這些物質的密度較小，導致月球的平均密度也較小。另外，地心引力遠大于月心引力，致使地球的密度大于月球的密度。還有， 地球形成初期，靠近太陽，繞太陽高速旋轉，致使地球內部溫度劇烈升高，使地球達到高度的熔融狀態，而月球繞地球旋轉，其旋轉速度比地球繞太陽旋轉速度慢得多，因此月球內部積聚的溫度比地球熔融狀態時的溫度低得多，因此月球內部未達到地球曾有過的熔融狀態，因此月球的密度要低于地球的密度。

（5）對于“為何有的行星有衛星而有的行星沒有衛星”的問題，回答是水星和金星表面溫度較高，其上沒有水或冰，很少產生火山噴發，故沒有形成衛星；而地球、火星、木星、土星、天王星、海王星上面存在大量的水或冰，產生過無數次火山噴發，因而形成了各自的衛星。

（6）對于“先前的月球起源解說無法解釋地月系統高角動量”的問題，回答是隨著地球大氣層的增長，地球自轉的速度在逐漸加快，并且在地心引力的拖曳下，月球繞地球的公轉速度也會增加，從而使月球漸漸地遠離地球。所以地月系統的角動量在不均衡地變化著。

（7）在45億年前地球上就出現了火山噴發，從那時起地球火山噴發就一直沒有停止過，所以由火山云凝聚成月球的概率遠遠大于由星球碰撞所生云團凝聚成月球的概率大得多。可見本解說比碰撞說更加自然，更具說服力。

2 太陽的形成和演進

由于太陽繞銀河系中心旋轉，因此可以推斷它原來是由銀河系中心某個母星產生的一個衛星，正如月球是由地球產生的那樣。

當該衛星成長為地球大小的行星時，它便能從宇宙空間中吸收大量的水氣來形成自己的大氣層，甚至形成大的冰體或水體。當它的母星變成發光發熱的恒星時，由于它繞其母星按反時針方向旋轉，該行星上靠近母星的那一面受到來自母星陽光的照射，使該面的溫度高于背面的溫度，從而使該面蒸發起更多的水氣和其他的氣體分子， 該面所受的大氣壓力大于背面所受的大氣壓力，因而該面與大氣層的摩擦力通常大于背面與大氣層的摩擦力，這就會使行星在繞母星旋轉的過程中從西向東自轉，而且隨著行星大氣層和水圈的增長，行星會轉得越來越快。這也是一般行星從西向東自轉的原因。

由于行星自轉離心力的作用使行星成長為赤道隆起、兩極稍扁的球體。行星赤道半徑大于兩極及其他位置的半徑，而萬有引力和距離的平方成反比，所以越靠近赤道物體受到的萬有引力越小，所以在赤道附近射出的物質容易獲得足夠的速度，進入繞行星旋轉的軌道。另外，如果行星上有水，則在萬有引力的作用下，會使得兩極及其他地區的水流向赤道區域，也會使赤道隆起、兩極扁平。因此，赤道附近比其他地區受到水的侵蝕更早和更嚴重，這就使得赤道附近更容易發生火山噴發，而且噴發得更早、更頻繁和更猛烈。在一些猛烈的火山噴發過程中，一些火山灰和碎屑可以獲得足夠的速度，進入繞行星旋轉的軌道。特別是，當火山的噴射方向與行星的自轉方向一致時，噴出的物質容易獲得足夠的速度，進入繞行星旋轉的軌道；當火山的噴射方向與行星的自轉方向相反時，噴出的物質難以獲得足夠的速度來進入繞行星旋轉的軌道。所以，在環繞行星的同一軌道中順行物質多于逆行物質。因此，順行星子可以積聚更多的順行物質，碰撞更少的逆行物質，因而容易形成衛星。當該行星長大成恒星時，它的一些衛星就成長為行星。這就是為什么環繞太陽的八大行星都是順行的行星。另外，由于赤道附近噴出的物質容易獲得足夠的速度，進入繞行星旋轉的軌道，然后凝聚成衛星。這就是為什么八大行星的軌道幾乎位于同一個平面，而且該平面與赤道面的夾角很小。

太陽的成長經歷了多個階段。開始太陽是一個體積和質量都很小的衛星。后來該衛星不斷地吸積軌道附近的“星云”物質而變得越來越大，并在星子撞擊或自轉逐漸加速的母星的萬有引力的拖曳下漸漸地遠離銀河中心，演進成地球大小的行星。后來它又遇到了一些通過變軌從后面追趕上來的行星的撞擊，使它成長為比木星更大的氣體巨星，而且更加遠離銀河中心。當太陽變成接近現在大小的原恒星時，該原恒星內部氫的壓力和密度大得足以啟動熱核反應。當該原恒星上發生猛烈火山噴發或與軌道附近的天體發生碰撞時，便啟動了其上的熱核反應。僅當太陽大得足以吸收軌道附近的氣體和塵埃來維持其熱核反應時，它才能成為主序星，即一個永恒地發光和發熱的星球。

由于太陽的質量約占太陽系全部質量的99.86%，因此在它環繞銀河中心運行的過程中，它能夠從軌道附近空間中吸收足夠的氣體和塵埃來維持其熱核反應，因而它成為了一個不斷地地發光和發熱的恒星。事實上，在太陽的熱核反應過程中，氫聚變成氦，氦又聚變成碳、氧和其他重元素。在不完全燃燒過程中，碳未被完全氧化，便生成一氧化碳。氧的燃燒又產生水蒸氣。當這些氣體逃逸到太空之后便形成環繞某些星球上的云團。當云團碰撞產生雷電時，一氧化碳與水在高溫下發生反應，產生二氧化碳和氫氣（CO + H2O→CO2+H2）。同時，水的電離也能產生氧氣和氫氣。因此，太空能源源不斷地為太陽的熱核反應提供氫氣。于是，太陽成為了一個永恒地發光和發熱的星球，除非太陽被某個巨星撞破使其質量小得不能吸收足夠的氣體和塵埃來維持其熱核反應。

3 行星的形成與演進

正如前面所述，太陽系的八大行星起源于后來形成太陽的行星的衛星。在八大行星的成長過程中，它們不斷地吸積軌道附近的“星云”物質而變得越來越大，并在星子撞擊或自轉逐漸加速的母星的萬有引力的拖曳或陽光的照射下漸漸地遠離母星。

3.1 水星的形成與演進

水星是在太陽還處于未發光的原恒星狀態時形成的衛星。水星的早期軌道比現在的軌道離太陽近得多，因此它以比現在快得多的速度繞原恒星旋轉。水星的高速旋轉使得其內部積聚了大量的熱量，從而使其內部物質發生了熔融和分異，形成了包括殼、幔、核在內的不同層次。由于水星受到水的侵蝕較小，因此它具有較高的金屬含量。

在星子的撞擊或自轉逐漸加速的原恒星的萬有引力的拖曳下水星曾漸漸地遠離母星。當水星被驅離原恒星到當前軌道附近時，原恒星就變成了主序星。來自太陽的巨大熱量使得水星上的水氣全部被蒸發掉了，留下干燥的水星。因此，它無法產生猛烈的火山噴發來形成自己的衛星。

由于水星的大氣層非常稀薄，水星朝陽面和背陽面的溫度差對于水星的大氣密度幾乎沒有什么影響，水星朝陽面和背陽面的大氣壓力差也幾乎等于零，因此水星不能像地球那樣在陽光的照射下遠離太陽。由于水星離太陽很近，水星被太陽引力緊緊鎖定，幾乎無法自轉， 水星自轉和公轉的周期相同。

3.2 金星的形成與演進

金星是離太陽第二近的行星，但它是太陽系中最熱的行星，因為其大氣層中含有很厚的溫室氣體，能夠捕獲和保留大量的太陽熱能。因為如此灼燒的熱量會使金星表面上的任何東西蒸發了，所以金星表面非常干燥。但太空飛船在火星上發現了許多過去火山活動的證據。所以，正如水星那樣，金星也是在太陽還處于原恒星狀態時形成的衛星。由于不時地有小行星撞擊，曾使金星漸漸地遠離原恒星。另外，金星也曾在自轉逐漸加速的原恒星的萬有引力的拖曳下慢慢地地遠離母星。但在原恒星變成了主序星后，來自太陽的巨大熱量使得金星表面上的水氣全部被蒸發掉了，留下干燥的金星。所以，它沒有足夠的水氣，無法產生猛烈的火山噴發來形成自己的衛星。

另外，金星的自轉是個例外。由于溫室效應，金星表面溫度非常高，其上的水蒸氣早已被蒸發殆盡，這使得太陽的照射無法影響金星大氣的密度，即金星上靠近太陽那一面的大氣密度與另一面的大氣密度幾乎相等，因此兩面的大氣壓強（壓力）幾乎相等，兩面與大氣層的摩擦力之差幾乎等于零，所以在金星繞太陽的運轉過程中不會因當陽面與大氣層的摩擦力大于背面與大氣層的摩擦力而自西向東自轉。相反，由于太陽的照射會造成兩面上層大氣的溫度差，金星上當陽面的上層大氣密度略低于背面上層大氣的密度，金星上當陽面的上層大氣與濃硫酸云層以下的下層大氣之間的摩擦力略低于背面兩個大氣層之間的摩擦力，這就造成金星自東向西自轉。航天探測器探測到金星上接近地表的大氣時速較為緩慢，只有每小時數公里，但上層大氣的時速卻可達數百公里，正好佐證了上述論斷。

3.3 地球的形成與演進及全球氣候變化

正如水星和金星，地球也是在太陽還處于原恒星狀態時形成的衛星，但它比水星和金星形成得更早。在地球形成的過程中，地球一邊繞著原恒星旋轉，一邊吸附著軌道上的微塵和氣體，使地球質量逐漸增大，大氣層逐漸增厚。隨著地球質量和體積的不斷增加，地球內部的熱能不斷積聚，包括地球高速公轉引起的氣流摩擦產生的熱能，地球自身引力收縮過程產生的熱能，原始地球內部化學反應產生的熱能。正是由于地球原始熱能積聚到一定程度，才使原始地球物質發生了熔融分異，形成了地球的不同圈層：地核、地幔和地殼。

在地球繞原恒星旋轉過程中，不時地遇到星子的撞擊，使地球漸漸地遠離原恒星。另外，在自轉逐漸加速的原恒星的萬有引力的拖曳下地球也不斷地遠離母星。當原恒星變成了主序星，地球也成長為具有一個很大的大氣層和水圈的巨星。在地球繞母恒星旋轉過程中，地球上靠近母星的那一面受到來自母星陽光的照射，使該面的溫度高于背面的溫度，從而使該面蒸發起更多的水氣及其他氣體分子，這些氣體分子被高速流動且層層疊加的平流層包裹在對流層中，逃不出去，所以兩個半球的大氣體積相當。由于地球上朝陽和背陽兩個半球的大氣參數近似地滿足理想氣態方程，即pV≈nRT，其中p是指氣體的壓強，V為氣體的體積，n表示氣體物質的量，T表示氣體的熱力學溫度，而R表示理想氣體常數。因此，根據計算可知，朝陽半球的大氣壓強通常大于背陽半球的大氣壓強。又因為兩個半球的面積相當，所以朝陽半球所受的大氣壓力通常大于背陽半球所受的大氣壓力，因而朝陽半球與大氣層的摩擦力通常大于背陽半球與大氣層的摩擦力，這就會使地球在繞母星旋轉的過程中從西向東自轉。另外，由于地球正常運轉時太陽對地球的萬有引力等于地球做勻速圓周運動所需的向心力，因此當地球朝陽面所受的大氣壓力大于背陽面所受的大氣壓力時，就會使地球沿螺旋線漸漸地遠離太陽。

3.4 火星的形成與演進

正如地球，火星也是在太陽還處于原恒星狀態時形成的衛星，但它比水星、金星和地球形成得更早。火星也經歷了如地球那樣的形成和演進過程，形成了包括殼、幔、核在內的不同層次。正是在星子撞擊或自轉逐漸加速的母星的萬有引力的拖曳或陽光的照射下漸漸地遠離母星。由于火星的質量比地球小得多，因此火星從空間中吸收的水氣和其他氣體分子也比地球少得多，這使得火星還是一個沙漠星球。

由于火星像地球那樣，具有一定厚度的大氣層和冰水圈，因此在陽光的照射下，火星能夠從西向東自轉，而且漸漸地遠離太陽。

3.5 木星、土星、天王星和海王星的形成與演進

正如火星那樣，木星、土星、天王星和海王星也是在太陽還處于原恒星狀態時形成的衛星，但它比水星、金星、地球和火星形成得更早。它們也經歷了如火星那樣的形成和演進過程，形成了不同的層次。正是在星子撞擊或自轉逐漸加速的母星的萬有引力的拖曳下漸漸地遠離原恒星，而且比火星離得更遠。

當木星被驅動到當前軌道附近時，它就變成了一個質量比太陽系內其他行星都大的行星，所以其軌道變化比行星慢得多。當一個內部軌道的較輕行星趕上木星時，就會發生猛烈的碰撞。這種碰撞會使較輕行星的部分碎片因公轉速度降低而縮回到更小的內部軌道，成為小行星帶中的星子，而較輕行星的大部分碎片會被木星吸收，增加木星的質量和公轉軌道速度，從而使木星的軌道擴大。木星可能吸收了多個行星而成為一個巨大的行星。另外，木星是一個液態星球，具有很厚和很密的大氣層，陽光對木星的大氣層具有很大的影響。因此，木星不僅自西向東自轉而且轉得比較快，還漸漸地遠離太陽。

由于土星赤道區域具有較大的半徑，因此具有較小的重力加速度和物質密度，因而在赤道區域容易發生火山噴發，噴出的物質容易獲得足夠的宇宙速度進入環繞土星的軌道，形成環繞赤道的光環。這種光環多由冰顆粒、巖石碎屑和塵土組成。由于陽光對土星大氣層的影響，土星也是自西向東自轉，而且漸漸地遠離太陽。

由于天王星表面的溫度從49k（-224.15℃）到 57k（-216.15℃），太陽無法從天王星的冰面上蒸發起水氣來，因此陽光無法影響天王星對流層的大氣密度。于是，天王星不像地球、火星和木星那樣受到陽光照射的影響，它不是自西向東自轉。相反，陽光只能使朝陽面的同溫層和增溫層的大氣密度變低，因而使天王星自東向西自轉。另外，由于天王星在當前軌道的公轉速度較慢，天王星與前面提到的其他行星相比較，其通過火山噴發產生逆行星子的難度較小，因此可以噴出較多的逆行星子，這就是為什么天王星除了具有一些順行衛星之外，還具有幾顆逆行衛星的原因。

由于海王星在當前軌道的公轉速度最慢，因此海王星通過火山噴發產生逆行星子的難度更小，這就是為什么海王星也具有一顆逆行衛星。

由于這些類木行星比火星噴出了更多的殼幔層物質來形成自己的衛星，因此它們只剩下一個較小的巖石或金屬核。但由于它們的總質量比火星要大得多，因此它們吸收了更多的氣體來形成氣體巨星。

3.6 小行星帶的形成與演進

在星子撞擊或自轉逐漸加速的原恒星的萬有引力的拖曳下一批又一批原恒星的火山噴射物或星子被驅離原恒星，漸漸地傳送到火星和木星之間的空間中，形成了小行星帶。另外，在小行星帶[12]形成之前，可能有些像火星大小的行星運行在火星和木星之間的軌道上。在它們的變軌過程中，有些行星的軌道與別的行星的軌道相交，導致巨大的碰撞。碰撞產生的部分碎屑因公轉軌道速度降低而進入到木星與火星之間的軌道上。這些碎屑慢慢地凝聚成一些小行星，便形成了小行星帶。

3.7 彗星的形成與演進

彗星是小行星帶外行星碰撞的結果，屬于太陽系內的小天體。當一個彗星從后面撞上前面的一個帶外行星時，該彗星的一部分因軌道速度大減而進入到近日點距離大大縮小的內部軌道，甚至進入到太陽系內部。該彗星殘余部分與太陽的接近使其冰表面融化和電離，形成慧發：由氣體和灰塵形成一條長長的尾巴，是人的肉眼可見的。當一個彗星經過地球傍邊時，由于地球巨大的質量，能從彗星上吸收許多水氣，這就是所謂的彗尾掃過地球。

4 宇宙星系的結構和宇宙的膨脹

4.1 問題的提出

1929年美國天文學家哈勃首次通過太空望遠鏡發現星體間距離不斷變大的現象并提出了宇宙膨脹理論。其中不可思議的是他發現星系退離我們的速度隨著距離的增加而增加，距離地球100萬光年的星系僅以每秒約20公里的速度退離地球，而距離地球250萬光年的星系以每秒50公里的速度飛離地球。哈勃的發現直接導致了“宇宙大爆炸理論”的誕生，該理論認為宇宙曾經是一個致密熾熱的奇點，137億年以前發生了一次宇宙大爆炸，從此宇宙就在不斷地膨脹和冷卻。顯然該理論并未給出宇宙爆炸的充足理由和合理結果。從此天文學界就認為宇宙以一種恒定的速度膨脹，直到1998年Saul Permutter， Brian P. Schmit 和 Adam G. Riees 通過對幾十個遙遠超新星的觀察發現宇宙正以加速度膨脹，他們于是獲得了2011年的物理學諾貝爾獎[13]。但人們仍然無法完全解釋宇宙加速膨脹的原因。

4.2 宇宙星系結構

如果用作者提出的的星系形成理論來解釋宇宙膨脹這一現象，則可以很容易地解釋宇宙膨脹的真正原因[14]。

根據前面所描述的太陽系的形成規律可知，一個原恒星能夠產生多個繞其旋轉的行星，而有些行星又能產生一些繞其運行的衛星；一個恒星可能有其母星；當一個衛星成長為行星時，它又能產生下一代衛星。因此，我們可以斷言，一個星系的基本結構是由多代星球構成的層次結構，如一個樹形結構。整個宇宙包含許多這樣的星系，猶如一個無邊的森林。

由于宇宙中的任何星系都是由多代星球組成的樹形層次結構，其中任何一代非根星球都是作為母星的衛星生成的，這些衛星不斷地吸積軌道附近的星云物質而變得越來越大，并在星子的撞擊或自轉逐漸加速的母星的萬有引力的拖曳下漸漸地遠離母星，特別地當母星和衛星分別變成了恒星和行星之后，行星又會在母恒星的陽光照射下漸漸地遠離母恒星而且還可能產生新的衛星。隨著來自母恒星陽光的減少，行星及其衛星會變得越來越冷。銀河系就是由多代星球組成的復雜層次結構，而太陽系只是其中的一個分支，如圖2所示。天文觀測也表明銀河系具有巨大的盤面結構，有一個銀心和至少兩條旋臂，旋臂相距0.45萬光年。太陽就位于銀河系的一個支臂-獵戶臂上，至銀河中心的距離大約是2.6萬光年。天文學家瑪麗亞·格曼通過對銀河系恒星集群盤面的研究表明，銀河系內圍的恒星集群年齡較大，而外圍的恒星則更加年輕，可以推測銀河系的形成從內部開始，后來逐漸演化到10萬光年以上的直徑。銀河系在成長過程中還吞并了許多小星系，來自其他星系的天體匯入了銀河系的內部。所以太陽是經過多代星球的衍生形成的恒星，地球則是太陽的子行星，月亮是太陽系最末代的星球。

類似地，哈勃所觀察到的銀河系之外的星系也是多層次結構，呈長長的旋臂，如圖2所示。

另外，對于同一層次結構來說，星球所處的層次越大，它繞星系中心旋轉的半徑也越大，在相同的時間內劃過的弧線也越長，所以其線速度越大。對于不同的層次結構來說，層次越多的結構，其底層星球繞星系中心旋轉的半徑一般也越大，在相同的時間內劃過的弧線也越長，所以這種結構的底層星球的線速度越大。

4.3 宇宙膨脹的原因

天文學家發現了一個迄今為止最大的超星系團—Laniakea超星系團，其中包括了我們的銀河系、本星系群其他星系和鄰近室女座星系團在內的數千個成員星系，如圖2所示。其中綠色區域擁擠著以白點標示的星系，白線呈現它們如何繞超星系團的中心運動，橘線標出Laniakea的外緣，而藍點就是我們地球所在的位置。由此可見，銀河系和本星系群其他星系具有共同的星球祖先。

圖2 包括銀河系在內的Laniakea超星系團

假設地球在銀河系層次結構中處于第n層，則地球上的天文學家要避開銀河系的屏蔽來觀察一個河外星系，且該河外星系的層次數應該大于n，被觀察的星球的層次也應該大于n。這些河外星系形成的旋臂都在一系列父星帶領下繞本系中心祖星旋轉。由于被觀察的星球所處的層次大于地球在銀河系所處的層次，所以被觀察的星球的運行速度大于地球的運行速度，所以看起來被觀察的星球以一定的正速度遠離地球，比如距離地球100萬光年的星系以每秒約20公里的速度退離地球。

另外，對于同一層次結構來說，星球所處的層次越大，它繞星系中心旋轉的半徑也越大，在相同的時間內劃過的弧線也越長，所以其線速度越大。這就是為什么從地球上觀察到的星系越遠，其遠離地球的速度也越快，而且是以向心加速度做圓周運動。比如，要避開銀河系和距離地球100萬光年的星系的屏蔽來觀察一個距離地球250萬光年的河外星系，則該河外星系的層次數應該大于距離地球100萬光年的星系的層次數，所以在地球上可看到距離地球250萬光年的星系以每秒50（>20）公里的速度飛離地球，而且是以向心加速度做圓周運動。

4.4 暗物質與暗能量

人們在研究星系的運動時觀測到有些星系內層和外層星體以一致的速度繞中心旋轉，由此設想在星系外部還包圍著一圈大質量的暗物質，只有這樣才能保證星系的穩定。另外，自20世紀20年代哈勃發現宇宙正在膨脹的現象之后，人們還一直在尋找一種無形的能量—暗能量，他們認為只有暗能量的存在才能拉伸空間結構并且導致宇宙的加速膨脹。但是科學家至今還未找到這種所謂的暗物質，對于暗能量的本質及其作用也認識不清，于是“暗物質”和“暗能量”就成為了當今天文學界、宇宙學界和物理學界中最大的謎團之一。

如果按照作者提出的星系形成理論則能很容易地解釋宇宙膨脹的現象及相關的“暗物質”和“暗能量”的概念：

1）衛星是由行星生成的。正是在行星發生巨大火山噴發時衛星雛形被射入繞行星運轉的軌道，然后不斷地凝聚軌道附近的火山噴射物或其他星際物質而變得越來越大，并在星子撞擊或或自轉逐漸加速的母星的萬有引力的拖曳下漸漸地遠離行星，演變成今天的衛星。可見形成衛星的暗物質就是母星的火山噴射物或來自其他星球的速度達到第二或第三宇宙速度的星際物質。

2）一個行星可以分為朝陽和背陽的兩個半球.這兩個半球上的大氣參數近似地滿足理想氣態方程，即pV≈nRT，其中p是指氣體的壓強，V為氣體的體積，n表示氣體物質的量，T表示氣體的熱力學溫度，而R近似等于理想氣體常數。在母星陽光的照射下，行星上朝陽半球的大氣溫度高于背陽半球的大氣溫度，因而在朝陽半球上可蒸發起更多的水氣和其他氣體分子，這些氣體分子被高速流動且厚實疊加的平流層包裹在對流層中，因而逃不出去，而且兩個半球的大氣體積相當，所以朝陽半球的大氣壓強通常大于背陽半球的大氣壓強。又由于兩個半球的面積相當，所以朝陽半球所受的大氣壓力通常大于背陽半球所受的大氣壓力。由于行星正常運轉時母星對行星的萬有引力等于行星做勻速圓周運動所需的向心力，因此當行星朝陽面所受的大氣壓力大于背陽面所受的大氣壓力時，就會使行星沿螺旋線漸漸地遠離母星。所以行星上朝陽和背陽兩面的氣壓差就是驅使行星漸漸地遠離母星的“暗能量”。

3）過去天文學家避開銀河系的屏蔽來觀察一個河外星系，發現距離地球幾百萬光年的星系以正速度飛離地球，于是斷言暗能量是一種充溢空間的、增加宇宙膨脹速度的難以察覺的能量形式，這是錯誤的。因為觀測人員受到銀河系的屏蔽，只能觀察到河外星系中一些層次比地球在銀河系中的層次更深的星球，結果發現所觀察的星系以正速度飛離地球，而且離地球越遠的星系飛離地球的速度越快。發生這種現象的原因是被觀測的河外星系是一種比地球所在的銀河子系具有更多層次的結構，正是由于多層次萬有引力的作用才使得河外星系底層星球能以比地球運行速度更快的速度運行，所以說暗能量實際上就是星系結構中存在的多層次萬有引力。

5 結論

由于現有的關于宇宙星系形成與演進的假說有許多問題，因此作者重新研究了太陽系及所有其他星系的形成與演進規律，發現了衛星和行星的變軌機制，從而揭示了衛星和行星的形成和演進規律，進一步揭示了太陽系及其他星系的形成和演進規律。還能科學地解釋宇宙星系結構、宇宙膨脹現象及相關的暗物質和暗能量。

致謝

特別感謝世界著名天體化學與地球化學家，中國月球探測工程首席科學家，中國科學院院士歐陽自遠的諸多關心和指導。

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[責任編輯：楊玉潔]