天文學(xué)導(dǎo)論第5講-太陽(yáng)系2-矮行星、小天體與太陽(yáng)系形成

1、第5講 太陽(yáng)系(2) 矮行星、小天體與太陽(yáng)系形成,Almost in the center of it, above the Prechistenka Boulevard, surrounded and sprinkled on all this sides by stars shone the enormous and brilliant comet of 1812the comet which was said to portend all kinds of woes and the end of the world. Leo Tolstoy (1828-1910) WAR AND PEA

2、CE,天文學(xué)導(dǎo)論,本講內(nèi)容,Dwarf planets 矮行星 Asteroids 小行星 Comets 彗星 Meteoroids 流星體與流星 Collisions 碰撞 太陽(yáng)系形成,這些太陽(yáng)系形成時(shí)所遺留下來(lái)的“殘骸”的體積雖小，但其重要性不小。它們提供了有關(guān)太陽(yáng)系起源的信息。,1。矮行星,谷神星：最大小行星，1號(hào)小行星（1801） 冥王星（1930湯伯發(fā)現(xiàn)） 美國(guó)加州理工大學(xué)邁克爾布朗（Michael E. Brown） 鬩神星（Eris厄里斯 2003 UB313, 齊娜Xena 2005年7月29日發(fā)現(xiàn)），最大矮行星 鳥神星、妊神星 Sedna賽德納，2003年11月14日發(fā)現(xiàn) ,

3、1801年由意大利天文學(xué)家皮亞齊發(fā)現(xiàn) 位于火星與木星之間的小行星帶中，1號(hào)小行星 直徑約950公里，等于月球直徑的1/4，質(zhì)量約為月球的1/50 谷神星所含淡水可能比地球還多,谷神星Ceres,Pluto 冥王星 “古怪的小家伙”,曾作為太陽(yáng)系最小的第九大行星 性質(zhì)特殊，既不像類地行星，也不像類木行星 1999年，國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)曾考慮把冥王星開除九大行星之列，沒(méi)有成功！2006年“成功”了！,Computer enhanced HST images,冥王星的基本特征,對(duì)冥王星的了解不深，原因有二： 距離遙遠(yuǎn) 還沒(méi)有太空船到冥王星作近距離觀測(cè) 質(zhì)量小于地球的1%，半徑約1150千米，比月球（半徑

4、約1740千米）還小 密度約為水的2.3倍。通常類木行星的密度小于2，而類地行星的密度大于5 冥王星表面及其大氣由氮組成，從其密度推斷，它應(yīng)有堅(jiān)固的表面,冥王星的軌道,冥王星的軌道非常特殊：擁有最大偏心率（作為第九大行星）；公轉(zhuǎn)軌道和黃道面的夾角為17.2度；距太陽(yáng)平均距離40 AU 軌道周期248年，自轉(zhuǎn)周期 6.39 天,“Pluto: Planet 9 or 8?”,“冥王星的軌道部分在海王星軌道之內(nèi)，所以從1979年到1999年，在太陽(yáng)系內(nèi)，距離太陽(yáng)最遠(yuǎn)的“大行星”是海王星而不是冥王星”,自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，冥王星僅運(yùn)動(dòng)了其軌道的大約1/3,冥王星和查戎 ：一對(duì)雙行星,冥王星的衛(wèi)星稱為查戎 C

5、haron，直徑約1200千米，是冥王星直徑的一半多點(diǎn)，因此相對(duì)于它所圍繞的天體來(lái)說(shuō)，它實(shí)在是非常巨大,HST image,查戎和冥王星互為同步衛(wèi)星,查戎的公轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)）周期和冥王星的自轉(zhuǎn)周期都是6.39天 因此，在冥王星表面，其中一半可以永遠(yuǎn)在天空差不多同一地點(diǎn)看到查戎，但另一半?yún)s永不見其蹤影。反之亦然 查戎是整個(gè)太陽(yáng)系已知惟一的天然同步衛(wèi)星,哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的冥王星“全家福”,冥王星及其三顆衛(wèi)星,同一軌道平面 兩顆新衛(wèi)星的大小僅相當(dāng)于查戎的1/10，亮度僅及查戎的1/600 可能與查戎同一時(shí)間誕生，是同一次巨大天體碰撞的結(jié)果？,奔向冥王星和柯伊柏帶的New Horizons,如何發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系

6、“小”天體?,Sedna 賽德納,2。小行星“天上的災(zāi)星”,小行星帶：位于火星和木星軌道之間的一個(gè)“垃圾場(chǎng)”，距離太陽(yáng)約2.8（2.0-3.3）AU 特洛伊型小行星：和木星具有共同軌道的小行星群,小行星帶的基本特征,軌道周期：3.2-6年 由巖石與金屬構(gòu)成的塊狀小天體 編號(hào)與命名（1號(hào)谷神星，4號(hào)灶神星） 直徑大于250千米的小行星不足20顆 大部分形狀不規(guī)則，非球形，形如土豆，表面有大小不等的撞擊環(huán)形坑，裂縫 小行星間隔平均幾千萬(wàn)千米 軌道：像多納圈 干擾對(duì)正常天體的研究：天上的災(zāi)星 揭示太陽(yáng)系形成和演化奧秘的重要鑰匙,小行星的數(shù)量？,535000顆（截至2010/9/22），估計(jì)質(zhì)量為0.

7、0008個(gè)地球質(zhì)量 谷神星Ceres 矮行星 第一顆小行星，1801年發(fā)現(xiàn) 最大小行星：直徑約950 km 3 種類型： 巖石 鐵/鎳 （富）碳,小行星的偶然發(fā)現(xiàn),小行星在背景天空上運(yùn)行，只要以長(zhǎng)時(shí)間曝光的方式拍攝，小行星的影像就成為一條光跡。大多數(shù)天文學(xué)家用此方法尋找小行星 事實(shí)上，大部分小行星就是通過(guò)這種方式而被偶然發(fā)現(xiàn)的,近地小行星 NEO,由于受到木星引力的影響，小行星帶中的某些碎塊改變軌道而接近地球軌道 7000多顆，軌道距地球不到4500萬(wàn)公里 直徑：最大32千米，最小僅幾米 直徑大于1千米的千余顆中的90%已確認(rèn)，主要研究100-1000米的小行星（估計(jì)28000顆，已知15%）

8、 軌道：阿登型小行星（地球軌道以內(nèi)）；阿波羅型小行星（地球與火星之間）；阿莫爾型小行星（地球軌道外側(cè)，平行但不相交） 類型：碳質(zhì)、巖石和金屬小行星,九顆近地小行星已得到考察,Asteroid 951（Gaspra 加斯普拉）： 自轉(zhuǎn)周期 7小時(shí),小行星伊達(dá) （Ida Asteroid 243，自旋周期 4.5小時(shí)）和它的衛(wèi)星達(dá)克圖 (243)1,Galileos visit to the asteroids in 1991,小行星不僅僅是潛在的威脅,太空旅行的理想跳板 有待開發(fā)的礦藏：金屬、氣體、水 未來(lái)太空探索的補(bǔ)給站 揭開地球生命起源之謎 NASA 的黎明號(hào)探測(cè)器抵達(dá)灶神星,通常把彗星看作

9、一個(gè)“臟雪球”，彌散的、發(fā)亮的天體，常常拖著長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴 古老天體：幾十億年前太陽(yáng)系構(gòu)建過(guò)程中所遺留下來(lái)的殘片碎塊 太陽(yáng)系起源的“物證”,1976 到訪內(nèi)太陽(yáng)系的 威斯特（West）彗星,3。 彗星臟兮兮的雪球,世紀(jì)大彗星 C/2006 P1 麥克諾特彗星,40年來(lái)最亮彗星 澳大利亞天文學(xué)家R.H. McNaught于2006年8月7日用口徑0.5米施密特望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，2007/1/13-14 最亮-5到-6等,2007年11月：霍爾姆斯彗星大爆發(fā)體積超過(guò)太陽(yáng),One view of comets as destroyers of worlds in 1857,King Harold (Engla

10、nd) and nation cower in fear at the close passage of Halleys Comet,（冰窟中的）彗星的基本特征,彗星和小行星具有共同的起源，卻是不同類型的天體（成分、軌道） 彗星由夾雜一些巖石的（水）冰物質(zhì)構(gòu)成，故稱為“臟雪球” 跨度大多僅有幾千米 彗星質(zhì)量 10-11地球質(zhì)量，體積大，密度很低，因而是結(jié)構(gòu)松散、多孔的天體,彗星的結(jié)構(gòu),彗核,彗星中心是一顆由凝固了的氣體和塵埃組成的、直徑小于10公里的細(xì)小彗核,Halleys nucleus,美麗的彗尾,當(dāng)彗星接近太陽(yáng)的時(shí)候，凝固的氣體受熱蒸發(fā)而產(chǎn)生延展的彗發(fā)coma 當(dāng)它進(jìn)一步接近太陽(yáng)，太陽(yáng)風(fēng)

11、及太陽(yáng)輻射壓便會(huì)把氣體和塵埃向后推，形成美麗壯觀的彗尾。因此，彗尾永遠(yuǎn)是背著太陽(yáng)的 通常形成兩條彗尾，一個(gè)是藍(lán)色的由離子組成的直尾，另一條是黃色的彎曲的塵埃尾。兩條彗尾均可延展數(shù)百萬(wàn)公里,West,彗星的軌道：開放軌道,彗星軌道基本有兩種：開放或封閉式繞日運(yùn)行 以開放式（非周期軌道）繞日運(yùn)行的彗星只經(jīng)過(guò)太陽(yáng)一次,彗星的軌道： 周期軌道,封閉式軌道彗星（很扁的橢圓形周期軌道）則可造訪太陽(yáng)多次，交替非常遠(yuǎn)離和靠近太陽(yáng) 最著名的周期彗星是以76年周期繞日運(yùn)行的哈雷彗星 Comet Halley 萬(wàn)有引力最重要的早期預(yù)言,彗星核的壽命取決于它的軌道周期和到太陽(yáng)的最近距離 短周期軌道和長(zhǎng)周期軌道，以20

12、0年為界（不確定）。一些周期長(zhǎng)達(dá)一百萬(wàn)年 已知短周期彗星約200顆，長(zhǎng)周期彗星約770顆。平均每年發(fā)現(xiàn)約6顆彗星 彗星軌道高度橢圓，行星軌道近似圓形。短周期彗星和行星同向運(yùn)行，軌道取向接近太陽(yáng)系軌道面；長(zhǎng)周期彗星有同向和反向，軌道取向各個(gè)方向,彗星的軌道特征,彗星的可能來(lái)源,柯伊伯帶 Kuiper belt (盤狀，柯伊伯帶天體 KBOs ) 奧爾特云 Oort cloud： 太陽(yáng)系最外區(qū)域，球殼狀，距離太陽(yáng) 50,000 AU以外， 1012 小天體,鄰近恒星通過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)其引力擾動(dòng)使這兩個(gè)區(qū)域里的一些物質(zhì)進(jìn)入內(nèi)太陽(yáng)系而成為彗星 太陽(yáng)有一個(gè)“復(fù)仇女神？”,深度撞擊 deep impact,2

13、005/7/4，撞擊彗星 Tempel1 由遠(yuǎn)古的冰冷物質(zhì)構(gòu)成 太陽(yáng)系起源的信息,4。 流星體,除了小行星帶以外，太陽(yáng)系中還充塞著大量的塊狀物，稱為流星體，它們?cè)谔?yáng)系中漂浮飛行 大多數(shù)流星體很小(10 m)，多為沙粒大小 流星體可能來(lái)自小行星帶，由小行星碰撞分裂而成；也可能是彗星靠近太陽(yáng)時(shí)所遺留的物質(zhì),Meteor 流星,當(dāng)流星體以每秒數(shù)十公里的速度進(jìn)入地球大氣層(100km)，由于與空氣摩擦而產(chǎn)生高熱、高溫令流星體及四周空氣燃燒發(fā)光，形成一條劃破天際的光跡，稱之為流星 shooting stars” 流星是大氣現(xiàn)象 大部分小流星體在穿越地球大氣層時(shí)燃燒殆盡,Meteor showers 流

14、星雨,當(dāng)?shù)厍蛲ㄟ^(guò)古老的彗星軌道時(shí)，彗星的大量殘骸進(jìn)入地球大氣層而形成流星雨,流星雨發(fā)生在每年相同的時(shí)間 著名的流星雨： 英仙座（Perseid）流星雨：每年的8月中， 由于地球通過(guò)彗星 Swift-Tuttle 的軌道 獅子座（Leonid）流星雨：每年的11月中， 由于地球通過(guò)彗星 Tempel-Tuttle 的軌道,1996 獅子座（Leonids）流星雨,流星暴（meteor storms）：1小時(shí)可看到數(shù)百顆流星,隕石（星）（ Meteorites ）,大部分流星體會(huì)在大氣層內(nèi)燃燒殆盡，但一些較大的流星體有機(jī)會(huì)熬過(guò)大氣的燃燒，撞落地面而成為隕石，一些巨大的行星際物質(zhì)（小行星、彗星等）更

15、會(huì)造成隕擊坑 年齡46億年（太陽(yáng)系年齡），太陽(yáng)系中最古老的天體 一些富碳隕石含有復(fù)雜分子（如氨基酸）：原始生命的征兆,Chondrite (stony)meteorite 球粒狀巖石隕石,Iron meteorite 鐵隕石,Carbonaceous Chondrite富碳球粒狀隕石,From Mars,化學(xué)分析表明一些隕石來(lái)自月球或火星,尋找隕石,5。大碰撞,如果隕石足夠大，會(huì)在地球表面撞出隕擊坑 一些小行星群 (主要是“Apollo”) 的軌道和地球軌道相交，最終大多數(shù)可能和地球相撞 隨機(jī)的流星體和彗星有時(shí)也可能穿越地球軌道 地球上的大陸可能是小行星撞出來(lái)的？ 地球上的水可能是彗星帶來(lái)的？

16、 地球上的生命可能是彗星或小行星帶來(lái)的？,Recent collisions clearly have occurred,Known impact sites on the Earths continents. Despite erosion, 140 terrestrial craters found,Barringer meteor crater 巴林格隕擊坑,Small meteorite produce big destruction!,“Barringer meteor crater” in Arizona: 1.2 km diameter. Probably from diamet

17、er 100m meteorite, 50,000 years ago.,“Tunguska event” 通古斯大爆炸,1908, Siberia leveled 2000 km2 forest 15 Mega tones TNT (largest H-bomb ever exploded: 60 Mega tones TNT),2003年6月，科考隊(duì)拍攝的爆炸現(xiàn)場(chǎng),The number, 300 Earth-crossing asteroids known with typical diameter = 1 km; estimate: 2000-4000 of them exist. Ex

18、pect 1 collision per 300,000 years: 105-106 Mega tons TNT. Small blasts (Tunguska) every 300 years.,End of human civilization?,統(tǒng)計(jì)上，一個(gè)人遭遇像飛機(jī)失事、洪水或龍卷風(fēng)那樣死亡的可能碰撞的概率平均大約幾百-幾千萬(wàn)年一次 一個(gè)直徑10km的小行星或彗星大約每3千萬(wàn)年撞擊地球一次 可能結(jié)束文明 108-109 mega tones TNT explosion devastates surrounding area (r=1000 km); rest of Earth li

19、ke oven set to “broil”. This is followed by “impact (nuclear) winter” produced by dust in atmosphere; sunlight blocked; acid rain. Then long period of high T (CO2).,找到了恐龍滅絕的證據(jù)？,墨西哥南部尤卡坦半島Yucatan海域, 直徑160-180公里的隕擊坑Chicxulub Crater 銥含量異常 6500萬(wàn)年前一顆直徑約10公里的小行星撞擊地球 “Cretaceous-tertiary (白堊紀(jì)-第三紀(jì)) extincti

20、on”: 恐龍及2/3物種滅絕 印度洋隕擊坑，同時(shí)？,2.5億年前流星體撞擊南極？,南極洲，衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)了直徑300英里，藏身于1英里多厚冰原下面的隕石 流星體撞擊地球的年代大約2.5億之前，即二疊紀(jì)-三疊紀(jì)的90%物種滅絕事件 恐龍家族從此異軍突起，成為地球的主宰,Collisions in Solar system,Comet Shoemaker-Levy 9 Strikes Jupiter (July 16, 1994)。.2009年木星又被撞了!,彗木相撞,6。太陽(yáng)系的形成,角動(dòng)量守恒定律 星云假說(shuō) 太陽(yáng)系形成的主要過(guò)程,太陽(yáng)系知多少？,所有行星軌道基本位于同一平面內(nèi) 行星橢圓軌道橢度輕微

21、，幾乎近似為圓軌道 行星公轉(zhuǎn)自西向東 大部分行星自轉(zhuǎn)也自西向東 自轉(zhuǎn)軸相對(duì)于軌道面的傾斜度?。ń鹦呛吞焱跣鞘抢?，可能碰撞引起） 行星和小行星的自轉(zhuǎn)速率相似： 5 -15 小時(shí)，除非潮吸力使它們變慢,太陽(yáng)系知多少？,太陽(yáng)自轉(zhuǎn)同樣自西向東，且其自轉(zhuǎn)軸基本垂直于行星軌道面（或太陽(yáng)的赤道幾乎位于行星軌道面內(nèi)） 行星的化學(xué)成分不同，大致隨到太陽(yáng)的距離變化：內(nèi)行星致密、富含金屬，而外行星體積大、富含氫 小行星的化學(xué)成分和地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同于行星和其衛(wèi)星 行星-衛(wèi)星系統(tǒng)類似于太陽(yáng)系 彗星來(lái)源的柯伊柏帶和奧爾特云 行星包含太陽(yáng)系大約90%的角動(dòng)量，但太陽(yáng)卻包含太陽(yáng)系超過(guò)99%的質(zhì)量,星云假說(shuō) Nebular Hy

22、pothesis,星云假說(shuō)是關(guān)于太陽(yáng)系起源的學(xué)說(shuō)，最初是由康德Kant 和拉普拉斯Laplace 在18世紀(jì)提出的 目前關(guān)于太陽(yáng)系形成的理論是在此基礎(chǔ)上做出了具體的改進(jìn) 其中的一個(gè)關(guān)鍵物理概念是角動(dòng)量守恒,角動(dòng)量 Angular Momentum,圍繞一個(gè)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的物體（或自轉(zhuǎn)的物體）擁有角動(dòng)量 宇宙中的角動(dòng)量是嚴(yán)格守恒的，可以轉(zhuǎn)移，但不能創(chuàng)造或消滅（對(duì)孤立體系）,角動(dòng)量守恒的推論,一孤立體系的角動(dòng)量L 是常數(shù) 轉(zhuǎn)動(dòng)（自轉(zhuǎn)）速度v 和距離（延展半徑） r 成反比關(guān)系： v = L / (mr) 對(duì)自轉(zhuǎn)的物體，如果半徑減小，為了保持角動(dòng)量守恒，則自轉(zhuǎn)必須加快。反之亦然,1. 分子云核坍縮,分子云核

23、：由氣體和塵埃組成的巨大星際云，尺度1光年 自引力克服氣體壓（使云膨脹）而坍縮 坍縮的初始觸發(fā)： 超新星沖擊波； 旋渦星系密度波； etc,巨分子云裂變后的其中一塊分子云核：太陽(yáng)（原始）星云,分子云核擁有巨大的角動(dòng)量,由于附近恒星爆發(fā)或與其它星云碰撞而具有一定的自轉(zhuǎn) 由于分子云核非常延展，所以既使微小的自轉(zhuǎn)也使分子云核擁有巨大的角動(dòng)量,2。分子云核自轉(zhuǎn)隨坍縮加快,分子云核的初始自轉(zhuǎn)非常緩慢 由于角動(dòng)量守恒，當(dāng)分子云核坍縮時(shí)其自轉(zhuǎn)必定加快,例子,假設(shè)太陽(yáng)原始星云尺度大約1光年，即1016米。自轉(zhuǎn)緩慢，假設(shè)自轉(zhuǎn)周期為106年 如果坍縮為太陽(yáng)大小，即1.4*109米，或者說(shuō)是星云原始大小的千萬(wàn)分之一

24、（10-7），那么其自轉(zhuǎn)速度為原始的5*1012倍，完成一次自轉(zhuǎn)只需0.6秒，是太陽(yáng)的真實(shí)自轉(zhuǎn)的3*106倍 為了太陽(yáng)的穩(wěn)定，如此快速自轉(zhuǎn)要求太陽(yáng)的自引力必須增加大約2*106倍 事實(shí)上，分子云核的大部分角動(dòng)量滯留在行星上。因此，分子云核的角動(dòng)量比從其中所形成的太陽(yáng)的角動(dòng)量大得多,3. An accretion disk forms 形成吸積盤,如果沒(méi)有自轉(zhuǎn)（角動(dòng)量），分子云核自然坍縮為一個(gè)球 對(duì)于自轉(zhuǎn)的分子云核，因?yàn)殡x心力平衡引力，坍縮的程度具有方向性：自轉(zhuǎn)使得垂直于自轉(zhuǎn)軸方向上的坍縮減慢，但是不影響沿自轉(zhuǎn)軸方向的坍縮，所以自轉(zhuǎn)的分子云核漸漸變得扁平 最終分子云核坍縮為一個(gè)原始恒星和一個(gè)吸積盤（稱為原行星盤） 因此自轉(zhuǎn)的分子云核坍縮為一個(gè)盤而不是直接坍縮為一個(gè)恒星,Animation,4. 小物體成長(zhǎng)為大物體,在原行星盤內(nèi)，氣體的運(yùn)動(dòng)將較小的顆粒吹入較大的顆粒內(nèi) 通過(guò)吸附較小的顆粒，較大的塵埃顆粒變得更大 從只有幾微米大小開始，稍微大一點(diǎn)的塵埃漸漸生長(zhǎng) 當(dāng)塵埃顆粒增長(zhǎng)為大約100米大小的時(shí)候，物體的增長(zhǎng)率減小，但100米大小的物體會(huì)結(jié)合形成更大的物體。此時(shí)的結(jié)合必須輕微，否則猛烈的碰撞會(huì)使它們?cè)倭呀鉃樵S多小碎片。在物體增長(zhǎng)的階段，這種反過(guò)程是常見的,星子：行星的種子,當(dāng)物體增長(zhǎng)為約1公里大小的時(shí)候，物體的質(zhì)量足夠大因而其引力變得重要并開始起作用。 1千米大小的物體通常稱為星