行星起源與演化新說

1、行星起源與演化新說滾雪球漸變說張國文摘要：行星是如何起源的？太陽系的行星為什么有的是固態(tài)，有的是氣態(tài)？為什么有的固態(tài)行星有大氣，有的沒有大氣？所有的行星為什么都集中在黃道面附近？這篇文章圍繞這些問題進行了探討，給出了解釋！1 引言人類對行星起源問題的探索，可以追溯到17世紀。1644年，法國哲學(xué)家笛卡爾1在其哲學(xué)原理中提出了行星起源的渦流說，認為在太初的混沌中，物質(zhì)微粒獲得渦流運動，在渦流中形成了太陽、行星和衛(wèi)星。1745年，法國博物學(xué)家布豐在他的自然史中提出了災(zāi)變說，認為行星是由巨大的彗星與恒星撞擊后形成的。1755年和1796年，德國哲學(xué)家康德和法國數(shù)學(xué)家拉普拉斯分別提出了相似的星云說2，

2、認為我們的太陽系是由一團旋轉(zhuǎn)的星云形成的。目前，關(guān)于行星起源的假說不下40種3，絕大多數(shù)都與布豐的災(zāi)變說和康德拉普拉斯的星云說大同小異，它們實際上只是一些加入了新的科學(xué)研究成果的災(zāi)變說或星云說。然而，不論人們對災(zāi)變說或星云說的"矯正"速度有多快，卻永遠跟不上科學(xué)發(fā)展的速度，新的災(zāi)變說或星云說總是在不斷發(fā)現(xiàn)的新的科學(xué)事實面前顯得蒼白而幼稚。所以，時至今日，有關(guān)行星起源的理論還只處在假說階段，沒有一個理論被人們所普遍接受。 一個符合實際的行星起源理論必須能夠較好地解釋太陽系各行星的現(xiàn)狀和歷史，同時還能夠預(yù)言目前沒有被人發(fā)現(xiàn)或注意到的現(xiàn)象。本文結(jié)合中微子地球演化說4提出了一種行星

3、起源新假說滾雪球漸變說4，認為行星的形成是一個與行星歷史一樣長的緩慢過程，在這個過程中，先形成無大氣層的固體行星，然后形成行星大氣，并發(fā)生一系列內(nèi)部演化。直到今天行星還在形成和發(fā)展之中。該假說不僅較好地解釋了太陽系行星的現(xiàn)狀，而且還預(yù)言行星內(nèi)部在發(fā)生熱聚合反應(yīng)。2 固體行星的形成 整個宇宙充斥著大量的氣體、塵埃以及其它漂浮物，它們漫無目的地在太空漂游著。在某些時候，一些氣體、塵埃以及其它漂浮物或與其它物質(zhì)發(fā)生碰撞，或被高能光子和宇宙線轟擊，從而帶上一定的電荷。這些帶電氣體和塵埃，在電磁力和萬有引力的作用下，相互吸引、聚積，形成一些固體球狀或不規(guī)則的塊狀物體，它們是行星形成的種子，稱之為星子。開

4、始所形成的星子的運動是雜亂無章的，它們在不斷地聚積氣體、塵埃和其他宇宙漂泊物的同時，彼此也頻繁地碰撞、火并，結(jié)果有的星子被其他星子吞并而消失，有的星子則由于吃掉其他星子以及聚積其他物質(zhì)而越長越大。如果這些星子不是集結(jié)在恒星周圍，而是遠離恒星，那么星子通過聚積氣體、宇宙塵埃等物質(zhì)后，就會形成松散的集聚體，當(dāng)它們靠近某一恒星時，就會被其俘獲，成為該恒星的彗星。如果這些星子正好在某一恒星周圍，并圍繞該恒星運動，那么，這些星子就會受到恒星的影響。由于恒星都會像太陽一樣，刮恒星風(fēng)（太陽風(fēng)）5，它們實際上是高速運動的帶電粒子，具有較大的壓力。恒星風(fēng)的方向大都與恒星的自轉(zhuǎn)方向一致，即按逆時針方向吹拂。這樣，

5、作順時針運動的星子，就會在強勁的恒星風(fēng)作用下減速，當(dāng)其運動速度下降到一定程度時，它們就會墜向恒星或被其它星子吞并。所以，在恒星周圍形成的行星都朝一個方向自轉(zhuǎn)。同時，恒星風(fēng)多集中在恒星的黃道面內(nèi)，因此黃道面內(nèi)的星子，一方面受到帶電粒子的沖擊最大最多，另一方面所帶電荷也最多，因而它們的結(jié)構(gòu)也最牢固，吸引力也最大，聚積物質(zhì)的速度也最快。于是，集結(jié)在黃道面的星子便最容易長大成結(jié)構(gòu)緊密、牢固的天體，這就是初始行星。而黃道面以外的星子，由于沒有遭到恒星風(fēng)的襲擊，帶電也較少，吸引力也小，聚積的物質(zhì)也不會被恒星風(fēng)吹走，因而由它們長成的天體結(jié)構(gòu)松散，最終它們或被恒星和初始行星吞并，或發(fā)展成為彗星。初始行星形成后

6、，就隨恒星一起在廣袤的宇宙中運動，同時，吸引并聚積它們所掃過的空間的氣體、宇宙塵埃和其它一切宇宙漂泊物6。這樣，經(jīng)過一段時間后，初始行星就成長為成熟的行星。研究表明，行星及其衛(wèi)星的起源就是一個吸積和碰撞的過程7。行星形成后，仍然會一如既往地聚積其掃過的空間的氣體、宇宙塵埃和其它一切宇宙漂泊物，同時還會發(fā)生其它一系列的演化。3 行星的演化行星不斷地吸收和聚積氣體、宇宙塵埃和其它一切宇宙漂泊物，就逐漸長大。當(dāng)行星的直徑在1003000千米時，其表面會形成一些零星的松散的環(huán)形山（圓坑），當(dāng)行星發(fā)展到直徑為3000千米后，行星就會發(fā)生“冶煉”式地演化，其內(nèi)部的物質(zhì)會熔融和重組，行星的性質(zhì)也將發(fā)生變化。

7、引起這一系列變化的根源就是太陽中微子。中微子地球演化理論8認為，中微子有如中子相似的特性,即高頻率（或快）中微子很難與物質(zhì)作用,但低頻率的（或慢）中微子則能被物質(zhì)大幅度吸收。這樣,來自太陽的快中微子進入天體后,就被天體物質(zhì)散射、減速而消耗能量,慢慢地就變成頻率或速度與原子核中的中微子相近的慢（熱）中微子，最后被天體物質(zhì)吸收，并釋放能量，引起天體物質(zhì)熔融。中微子被天體物質(zhì)大幅度吸收必須滿足一定的條件，那就是天體中必須有足夠的原子和電子散射中微子，使中微子減速變成易于被物質(zhì)吸收的慢中微子。要保證有足夠多的原子和電子，天體的直徑（或體積）必須大于某一定值（這里忽略了密度，但不影響我們的討論）。根據(jù)對

8、地球的考察，這個值大約在30006000千米之間。也就是說，太陽中微子在天體內(nèi)部的射程只有約30006000千米。如果天體的直徑小于3000千米，那么當(dāng)中微子穿過天體時，與中微子作用的原子和電子的數(shù)量就不夠多，中微子的能量消耗就不足以使其變成易于被吸收的慢中微子。這時，中微子就會暢通無阻地穿過天體而不被吸收。當(dāng)天體的直徑大于3000千米而小于6000千米時，中微子從一側(cè)進入天體，就會在天體另一側(cè)的表面與物質(zhì)發(fā)生作用，引起天體表面物質(zhì)熔融。水星、火星和月球等，就處在這一階段，它們表面的環(huán)形山就是物質(zhì)被熔融留下的痕跡。當(dāng)天體的直徑大于6000千米時，中微子就會在天體內(nèi)部與其物質(zhì)發(fā)生作用，釋放熱量。

9、如金星、地球等就處在這一階段。 由此可見，當(dāng)行星長大到直徑達3000千米時，太陽中微子就開始對行星進行“熔煉”，起初是熔煉其表面，隨著行星的不斷長大，熔煉便向行星內(nèi)部延展，當(dāng)行星的直徑達到600012000千米時，熔煉就達到了行星的中心。當(dāng)行星繼續(xù)長大，其直徑超過了12000千米時，熔煉就從行星的中心向另一邊撤退，行星中心開始凝固，在行星內(nèi)部形成一個圍繞固態(tài)中心的液態(tài)外核（如地球外核）4。因此，中微子引起的行星物質(zhì)熔融過程，就像電子掃描一樣，從行星表面開始，一直掃到行星的中心，然后又從行星中心掃到行星外層。在這個過程中，行星內(nèi)部的重物質(zhì)不斷地隨著熔融物質(zhì)下沉，而輕物質(zhì)則上浮，于是就形成了一些固

10、體行星的金屬內(nèi)核。當(dāng)然，上述的述說沒有考慮行星的密度和中微子的通量（通量大小與太陽的距離遠近密切相關(guān)），是近似的。實際中，由于有的行星密度大，離太陽近，熔融的直徑要短一些，而密度小，離太陽遠的行星熔融的直徑則要長一些。太陽中微子與行星物質(zhì)的作用釋放出大量的熱量，不僅“冶煉”了行星，而且還在行星內(nèi)部引起了一些合成新元素的核反應(yīng)。美國科學(xué)家戴維斯9用全氯乙烯做靶子探測太陽中微子的實驗，就是一個新元素的合成過程。在這個過程中，氯3元素俘獲一個中微子放出一個電子，形成新的元素氬。由于入射行星的中微子通量極大，所以行星內(nèi)部中微子的俘獲現(xiàn)象應(yīng)該十分普遍。同時，行星內(nèi)部的中微子韌致輻射還可產(chǎn)生中微子對，中微

11、子對的湮滅又可形成電子對，質(zhì)子與反中微子作用可以產(chǎn)生中子和正電子，等等10，所以各種元素合成所必須的"原材料"在行星內(nèi)部應(yīng)有盡有。這樣，行星內(nèi)部就可以像恒星一樣合成大量元素。由于鐵是一種較為穩(wěn)定的元素，而且合成鐵元素是一個吸熱過程，再加上行星內(nèi)部的溫度又不如恒星高，所以行星內(nèi)部元素的合成，抵達鐵元素就基本終止了。這就是許多行星都有一個特別大的鐵核的真正原因。但是，像火星和月球這樣剛剛進入演化階段的行星（衛(wèi)星），不可能合成大量的鐵元素，所以它們的鐵的含量都不是很高。如月巖的密度接近其平均密度，月球內(nèi)部不存在鐵核。4 大氣的形成在固體行星的形成過程中，一些氣體、土物質(zhì)（塵埃）和

12、冰物質(zhì)被不斷地吸積到行星上來。由于氣體的動能大，在各種帶電粒子的沖擊下，大部分氣體又逃逸到空中。只有少許裹藏在塵埃中的氣體被留下來，成為行星的一部分。因此，在行星初期，其表面一般沒有明顯的氣體（或大氣）。然而，當(dāng)行星的質(zhì)量增加到一定程度時，行星就可以吸引住那些速度較低的氣體分子，開始形成大氣層。一方面，氣體分子的速度與行星表面的溫度有關(guān)，行星表面溫度越高，則氣體分子的速度越大；另一方面，氣體的逃逸速度又與行星的質(zhì)量有關(guān)，行星的質(zhì)量越大，氣體分子的逃逸速度也越大，也就是說，行星的質(zhì)量越大，氣體分子越難逃逸到外層空間11,12。所以，從理論上講，如果行星表面的溫度較高，行星的質(zhì)量又較輕，那么行星表

13、面氣體分子的速度就容易達到其逃逸速度，這時氣體就會逃離行星而使行星失去大氣。如果行星表面的溫度較低，行星的質(zhì)量較大，那么行星表面氣體分子的速度就很難達到其逃逸速度，這時氣體就會被行星牢牢吸引住，從而在行星表面形成大氣層。行星或衛(wèi)星的表面溫度和逃逸速度行星名稱水星金星地球火星木星土星天王星海王星月球表面最高溫度（0C）4204804025-140-150-180-200120逃逸速度（km/s）4.2510.3611.195.0360.4336.2321.4523.672.38由計算可知，氧氣在攝氏427度時的平均速度為682米每秒，而逃逸速度最小的月球的逃逸速度也達2380米每秒。因此，即使在

14、高溫下，行星表面氣體分子的平均速度也遠遠小于其逃逸速度。按理說，各個行星及其衛(wèi)星應(yīng)該都能吸引和保住氣體分子而形成大氣層。然而，在實際的氣體分子中，總有一半的分子速度比平均速度大，比平均速度大一倍以上的占一定比例，大兩倍以上的也占一定比例，但所占百分比較?。凰俣仍酱?，所占百分比越小。所以，在任何行星表面總有一部分氣體分子的運動速度達到了其逃逸速度。也就是說，所有行星的外層都有大氣分子在向外層空間逃逸。 與此同時，行星也在其引力的作用下不斷地吸引宇宙空間的氣體分子，有的行星內(nèi)部的物理化學(xué)運動也在產(chǎn)生氣體。這樣，在行星表面就形成了氣體的“收入”和“支出”。如果“收入”小于“支出”，也就是當(dāng)行星吸引或

15、產(chǎn)生氣體的速率小于其表面氣體逃逸到外空間的速率，那么行星表面的大氣最終將會遺失殆盡，行星不可能形成大氣層。如果“收入”大于“支出”，也就是當(dāng)行星吸引或產(chǎn)生氣體的速率大于其表面氣體逃逸到外空間的速率，那么行星表面的大氣將會越積越多，行星就能夠形成大氣層13。 由熱力學(xué)可知，在溫度相同的情況下，氣體分子量越大（氣體越重）時，其運動速度就越小。也就是說，重氣體與輕氣體相比，更加難以逃離行星。所以，在行星表面形成大氣時，最初吸引住的是二氧化碳、氬氣等分子量較大的氣體。往后，隨著行星質(zhì)量的增大，行星就可以吸引和保持住像氮氣和氧氣這樣中等分子量的氣體。當(dāng)行星的質(zhì)量繼續(xù)增加時，行星就可以吸引和保持住氫氣和氦

16、氣以形成大氣。由于氫氣和氦氣占宇宙物質(zhì)的90%以上，是宇宙中最多最豐富的物質(zhì)，所以，如果行星能夠吸引和保持住氫氣和氦氣，那么行星成長的“原材料”就會突然豐富起來，這時行星就會加速成長，從而使氫氣和氦氣所占行星的比重越來越大，最后將占據(jù)絕對優(yōu)勢。對于水星和月球來說，由于質(zhì)量小，又靠近太陽，其表面溫度較高，氣體分子在其引力作用下接近它們后，又會逃逸到宇宙空間，所以水星和月球表面不可能形成明顯的大氣層。金星和火星的質(zhì)量較水星和月球大，因此它們能夠吸引并保持住二氧化碳和氬氣等較重的氣體，在其表面形成應(yīng)該以二氧化碳為主的大氣層。而地球由于質(zhì)量大，離太陽適中，它不僅能夠吸引住二氧化碳，而且還能吸引住氮氣、

17、氧氣和水氣等較輕的氣體分子。地球?qū)⒍趸甲兂商妓猁}固體儲藏起來，把水氣變成液體存放在海洋離里，最后形成一個以氮氣和氧氣為主的大氣層。木星和土星由于質(zhì)量更大，而且遠離太陽，表面溫度低，所以它們能夠吸引住氫氣和氦氣，在其表面形成一個氫氣和氦氣占絕對優(yōu)勢的濃厚的大氣層。天王星和海王星的質(zhì)量較土星、木星小，而比地球等固體行星大，所以，在它們的表面存在著大量的比氮氣、氧氣輕，比氫氣、氦氣重的氨氣和甲烷。由此可見，行星大氣的形成是整個行星形成過程的延續(xù)，是類地行星向巨行星演化的過度階段。5 行星的原料來源行星形成所需要的物質(zhì)就來源于宇宙空間。研究表明，我們的地球今天仍然在不斷地吸積宇宙空間的彗星、隕石、

18、宇宙塵埃和星際分子等物質(zhì)14,15。據(jù)估算，地球每大約可獲得數(shù)億噸的隕石物質(zhì)，這樣每隔12萬年，便可將地球覆蓋25厘米厚。當(dāng)然，地球如果以這樣的速度成長，那么長成今天這個樣子則需要大約10萬億年。這個速度實在太慢。所以，行星的成長一定另有其它原材料。事實上，在廣袤的宇宙空間存在大量的星際物質(zhì)，包括星際氣體、星際塵埃和各種各樣的星際云，它們的質(zhì)量約占銀河系總質(zhì)量的10%。星際物質(zhì)的平均密度為每立方厘米1個氫原子。在星際物質(zhì)中，星際氣體占大約90%，其主要成分是氫和氦；星際塵埃約占10%，主要包括水、氨、甲烷、二氧化硅、硅酸鹽、三氧化二鐵、石墨等；星云物質(zhì)少，但其密度高，在有星云的地方，達每立方厘

19、米1萬到10萬個分子10。太陽系作為一個整體在以約每秒300公里的速度繞銀心轉(zhuǎn)動，而太陽系的半徑可以延伸到10萬個天文單位的遙遠地方。所以，太陽系每年掃過的空間約為1000億億億億億億立方厘米，在這個空間尺度上的星際物質(zhì)約為1億億億噸。這些星際物質(zhì)無疑會有一部分被太陽及其行星吸引，成為太陽和行星的一部分。按目前的說法，太陽系的年齡在50億年左右，所以，平均地講，太陽系每年只要吸收它掃過宇宙空間星際物質(zhì)的十萬分之一，就足夠保證行星的形成。6 結(jié)語 行星的形成是一個與行星歷史一樣長的緩慢過程。由星子吸積星際物質(zhì)所形成的固體行星，最初是一個以冰土物質(zhì)為主的均質(zhì)球體，其內(nèi)部的密度基本一樣。當(dāng)行星吸積星

20、際物質(zhì)不斷長大，其直徑達到3000千米，行星就在太陽中微子的作用下，開始發(fā)生冶煉式地熔融演化；在行星的直徑由3000千米向6000千米發(fā)展的過程中，行星的內(nèi)部物質(zhì)將由于熔融而進行重組：輕的物質(zhì)不斷向上浮動，較重的物質(zhì)則不斷下沉；同時，行星內(nèi)部還會發(fā)生熱核反應(yīng)，聚合形成新的元素。當(dāng)行星的質(zhì)量達到一定程度的時候，在行星表面就開始形成大氣層，最初行星能夠吸引住的氣體是較重的二氧化碳和氬氣，隨著行星質(zhì)量的增加，行星便可吸引住氮氣和氧氣，再往后，就能夠吸引住氨氣和甲烷，最后氫氣和氦氣也逃脫不了其引力范圍。由于氫和氦是宇宙中最豐富的物質(zhì)，所以行星如果能夠吸引住氫和氦，它就會迅速長大，成為巨行星。巨行星的進一步發(fā)展就會成為恒星。參考文獻1 中國科技大學(xué)天體物理組編