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太阳形成是宇宙尘埃堆积坍缩引起的,但同时为什么还会形成木星土星地球等行星呢?

AndreyEsses
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土星 404 0 2017-11-22 22:09:15
一但开始坍缩不是应该不断聚集最后形成一个巨大的球吗?为什么会同时会形成那么多大小不等的球(行星们)? -----本题已收录至知乎圆桌 »宇宙那么大,更多讨论欢迎关注。Warning:感谢 @名字长记不住斯基 。答案里有关于尘埃和气体的区分并不是很严格。看来有必要严格区分。待有空了赶紧回来把这个坑填上。 (2015年6月26日已修正)
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(多图预警)
简单来讲,一块气体云的初始角动量不可能是0。所以随着塌缩的进行,会逐渐形成一个盘,盘除了被中心形成的恒星吸积以外,盘内部也会因为密度不均而产生原行星的种子,最后依靠吸积形成行星。

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因为正好是我的研究方向之一,所以可以多说一点。不过PS以下,原行星盘的研究是现在很热的领域之一,加之自己是入行没多久的小白,有错的话还请大牛谅解。

首先看一张小质量恒星(如太阳)形成过程的示意图。 DSC0000.jpg
首先先是一团气体云塌缩,这块气体云的内部可能包含着很多东西。含量最多的氢,其次是氦,这些是宇宙大爆炸核合成的产物。还会根据情况有一些更重的元素,比如形成生命的必需品碳、氧,或者以及日常生活中常见的铁等等。这些更重的元素多数需要超新星爆发来合成,因此这取决于这块云周围的环境是否发生过超新星爆发,以及发生过几次。在这个过程中相互抗衡的是辐射压力和气体之间的引力,通常经过外界触发(如附近的超新星爆发或者星风)的作用,使得密度不均匀超过一定的限度引起塌缩。这部分不是这个问题的重点,感兴趣的可以查阅:Jeans不稳定性(Jeans instability)。放上一张哈勃望远镜拍的著名的“创生之柱”,这是一个正在塌缩的气体云。
(P.S. 天文学中尘埃和气体的区别在于气体一般在宇宙中以气态存在,尘埃则以固体存在,并且尘埃经常代表了物质凝结成的更大的分子团。物质状态与环境温度、压强和周围辐射有关,这些又经常受环境影响。由于像氢气这种小分子,在宇宙里以气态或者等离子体存在,对于一大块物质,很难说大家整体都是气体还是尘埃,物质状态又存在过渡。所以本文除非特殊强调某些物质处在尘埃状态,如果大多数是气体的话则称之为气体。)
DSC0001.jpg

关键问题是由于角动量守恒,初始一团气体的一点点角速度随着塌缩的进行,尺度减小会产生很大的角速度,从而产生原行星盘。(顺便提一下,盘结构在天体物理的吸积过程中非常常见,例如活动星系核中心超大质量黑洞的吸积也伴随着吸积盘。)这是恒星形成过程会伴随着行星形成的关键。盘结构产生的同时,由于塌缩过程伴随着引力势能的释放,中心恒心会开始发出辐射,盘的两级会产生喷流。由于初始阶段吸积还很剧烈,所以辐射和星风都很强,内部向外的辐射和来自外面其他星的辐射会在某一个面达到势均力敌,产生一个激波面,在外面看起来会像一个气泡。 DSC0002.jpg 天文学家还真管这个叫bubble。放上一张观测到的bubble给大家看,来自猎户座大星云的恒星形成区。猎户座大星云非常明亮,天气晴朗的冬天,在城市里肉眼就可以辨别出。 DSC0003.jpg
在bubble里依稀可以看见有盘结构的存在。右侧黑色的椭圆就是已经进行到下一阶段的裸露的盘。

这个时候有人会问了,既然恒星还在吸积,那么尘埃都被吸积到中心恒星了怎么还会产生行星?问题是,到了这一步,恒星的吸积速度会大幅度降低。原因见下面这张图。 DSC0004.jpg 这时中心恒星核反应逐渐点燃,恒星的辐射将会逐渐把其附近的物质吹散,所以吸积盘将不再直接与恒星接触。盘物质掉落到恒星的过程将依赖于磁场。因为靠近吸积盘上的物质多数都处于被电离的状态,成为非常理想的等离子体。等离子体的一大性质就是会倾向于沿着磁感线跑,所以这个时候外面的物质会沿着恒星附近的磁场坠入恒星。但是这一过程的速度会受制于“螺旋桨效应”——因为中心恒星的自转会带动磁场旋转,所以坠落的等离子体的角速度就会等于中心恒星的角速度,坠落速度受制于离心效应。
顺便提一下,这个过程同时解释了为什么像木星土星天王星海王星这样的气体或液体星球会位于太阳系的外围,因为像下面这张图所示,比较重的尘埃粒子不容易被星风吹走,而轻的气体都会被吹到外面去。(当然现在系外行星发现了很多气体行星非常靠近母恒星,与此理论不符,这个有一些争议和解释,暂且不表,感兴趣的可以自己查) DSC0005.jpg
到了这一部分可以说到行星形成的最后一部分。盘结构当中的密度不均会形成行星的种子,密度比较大的区域会逐渐在盘中吸积附近的尘埃,最终形成行星。现在有很多对于盘结构的模拟证实了这一过程。例如下面各处这张图属于国外的一个团队(随便谷歌来的),他们模拟的动画可以在这个链接看:http://jila.colorado.edu/~pja/images/planet.mpg DSC0006.jpg 这个模拟简单来说就是在一个均匀的盘上面放上一个质量略大的点,称之为原行星,然后看盘的结构变化。可以看到,行星会逐渐吸积附近的物质,然后在盘上打开一个缺口。

就这样,最后盘上的物质要么被中心恒星吸积,要么形成行星,要么被吹走,所剩无几。而剧烈的恒星形成过程将趋于平静。放一张这一阶段的所剩无几的尘埃盘。 DSC0007.jpg 来自哈勃拍摄的著名的恒星北落师门,位于南鱼座,比较靠南的同学可以看见。因为中间恒星太过于明亮,所以用一些技术把它挡住,可以看到环状的尘埃带。在右下角放大的图里可以看见一颗行星,在2004年和2006年的图片中有明显位移。(不过这个行星有很大争议,因为2011年的观测中它不见了,2013年又再次出现。)

这就又说到系外行星了。系外行星现在是天文学中数一数二的热门领域,所以带动了恒星形成,盘结构等等一系列领域在近几年蓬勃发展。

题主的问题在这里基本解决了,尘埃的塌缩会形成盘结构,而不是一个完美的球,而盘上的物质将不容易落入中心恒星,从而给行星形成创造了时间。最后有人会问了,这一过程真的是太阳系形成的过程么?放上太阳系盘结构的遗迹——黄道光。 DSC0008.jpg 这张图由我亲自拍摄于美国光学天文台基特峰观测基地。下部分横过来的光带是冬季银河,而从右下到左上的光柱就是黄道光。在环境比较好的地方,日落后或日出前,在昏影或晨光完全看不见的时候,用肉眼就可以看见这样一条贯穿黄道的光柱。黄道简单来说就是地球绕太阳的公转平面,也是其他大行星的公转平面。在这个平面上还有一些残存的尘埃散射太阳光,就形成了黄道光。所以这张图可以看见我们人类生存在的两个宇宙中的盘系统,太阳系和银河系。

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最后小吐槽以下分类标签。知乎的天文还是要提高一些基础的姿势水平啊= =。 宇宙学通常是指以宇宙为研究对象的科学,一般红移太低都不好意思叫宇宙学…… 已经看见不少宇宙学分类下的问题都有这个bug。所以默默的把这个的标签删掉了,分类到天体物理学就好了。编辑于 2015-06-26原始太阳形成后周边的尘埃被太阳风吹离中心。发布于 2014-05-08Google 角动量X吸积盘XGravitational separation 有真相编辑于 2015-06-26很简单,你捏汤圆还得溅点渣(面粉)出来呢。发布于 2015-12-01  关于星球演变的新学说——“星球演变排列顺序”:
  像自然界所有事物一样,星球也会经历从诞生到衰亡的演变过程。各种星球不同的形态是由于处在演变过程中的不同阶段(如昆虫在它的生长阶段各是卵、幼虫、蛹、蛾几种完全不同的形态一样),行星是由恒星演变而来,宇宙中每个星球的演变都要经过——恒星级“黑洞”—弥漫星云—恒星—红巨星—行星状星云—白矮星—行星—彗星—小行星这样几个阶段。地球正处在行星阶段中期,当小行星最后化作尘埃飘浮在苍茫太空时,星际中的气体尘埃在快速旋转运动的恒星级“黑洞”吸引下凝聚在一起,又一个星球新的生命周期开始了。星球演变就是这样循环往复,生生不息。
发布于 2016-09-17第零条:太阳已经占了太阳系99.86%的质量,不过要这么严苛的话,太阳系的渣靠坍缩是用不完的啦,当然这其中的一个重要原因是离心力将星尘铺成了十分广远的原行星盘。(还有可能的普遍存在的奥尔特云)


这是我翻译的wiki词条金牛座HL,第一颗人类直接拍到拥有正在形成的行星的恒星

DSC0009.jpg

气体巨行星都可能是在太阳附近形成的,这或许是因为不同比重的物质在原行星盘中的分布不同,而在太阳系初期的演化中行星不断迁移到了现在的位置。

第一条:
另一方面,太阳是富含金属的第一星族恒星,形成于银河系曾经闪烁过别的星球的一个角落,构成太阳的“金属”和构成我们的原子或许都源自一个大、重且致密得多的早期恒星的内部,显然,属于那颗星的行星物质占的比例要小得多,而且因为重元素的匮乏,类似今天原行星盘的不足质量的氢气可能不会聚集。

今天我也只好这么定性地揣测一下,这或许已经能够从一定程度上得出原行星盘的利用结果和母恒星质量之间是相关的

援引:
我们已确认的围绕B型星的行星列表:
(飞马座V391b不算因为它围绕的是一颗蓝色亚矮星)
DSC00010.jpg
围绕A型恒星的行星列表
(当然北落师门b是最有名的一颗)
DSC00011.jpg
对以上的数据中的“轨道周期”稍加观察便会发现问题,即便是大质量恒星的附近,也可能会形成足以观测的气体行星/热木星,使以上的论述似乎站不住脚。但其实,热木星在宇宙中(真的不只是银河系-_—,得益于OGLE计划的微引力透镜检测,我们已经在别的星系中发现了行星)中似乎大量存在的现象是一个亟待解决的天文学问题,迫切需要一个修正的模型来解释。


第二条:
到构成太阳的H2们足够压缩以产生核聚变和辐射压的程度之时,物质未必有时间完全掉进中央的引力源中,相反,它们可能在离太阳很远的地方积累角动量而维持自己的轨道运转。

与此同时,发生热核反应的气体的一个明显变化就是它变得致密了,见金牛座HL图,你可以发现清晰的环带结构会形成,而不是一个有明显轨道偏转的漩涡。在暗弱恒星形成自己的行星的时候(比如 GJ 1214b和……氪星……),只要到了这个“初始积累” 的结束点,母星能做到的也就只有施加潮汐力,然后卯足了劲看看接下来的几十亿年里能不能撕碎那些不听话的行星了。

对太阳化学组成的一些研究(来源请求)证明曾有可观量的行星/行星际物质坠入太阳,水星的地质学表现也正像是一个大得多的星体剩下的核……而且我们都知道太阳会在接下来的演化中变得越发明亮炙热(二十亿年后,G0或者晚F?),足够烤干或者融化内行星们的地表。最后膨胀的红巨星太阳又会饱餐一顿水星、金星和或许我们的硅酸盐。

结论:
“无所不能的必定是弱的。”
引力--时空的弯曲--是伟大的,但是它也正因此是弱的。它能使星尘聚积,但是也会在漫长的时间里冲淡物质内聚的倾向。
在太阳的情况下,其初始积累完成时,物质还没来得及全部落到中心,也因此不在会落到中心。在这之后,她可以通过吞噬“万年炎帝”号、偏离轨道的行星、路过的物质云、别的地方飞来的彗星等等来继续积累一些质量,不过这些比起其辐射损失的质量,都是九牛一毛了。发布于 2015-06-26因為在這種情況,坍縮後外圍依然殘留着一堆星塵未用。发布于 2014-05-19太阳星的恒星盘是非常大的,恒星盘中的大部分物质都集中在太阳中了。还剩下了一小部分。在漫长的过程中逐渐聚集,形成陨石,行星。发布于 2014-05-21听说是太阳甩出去的,所以转的方向什么的都和太阳一样…发布于 2016-10-05我从太极理论的角度谈一下我的猜想,或能对科学有所启迪:首先核心是高速自旋的(最大波数55:大有之数55 对应里德伯常量/2),有很强的磁场,粒子处于弱相互作用等离子态,在磁场与感应磁场的作用下,轴心倾斜膨胀,自旋衰减至大衍之数50,达到临界态,部分物质沿磁力线倾倒而出至轨道,感应磁场及角动量、倾角同步变小。轨道从内向往分别对应波数34,21,13,8,,5,3,2,1。34自旋一转公转两转(对应1轨道)及21自旋一转公转一转(对应2轨道),不能形成球形自旋,故没有行星诞生。13对应水星,8对应金星,而地球对应5(处于第5轨道),3对应火星(第6轨道)。.激波面由内因产生,源于轨道驻波频率与倾倒辐射频率强烈共振,形成“小行星带”共性并点燃核心太阳,对应2,至1则复归次级太极,于太阳系而言, 1对应木星,参见易有太极别开 别世富编辑于 2015-11-01也有可能是游离行星被恒星捕获~有可能。。。~~~发布于 2014-05-11可以当成这个是离心力甩出来的太阳碎片发布于 2013-05-12
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