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太陽星云
氣體云和塵埃云組成的星云
基本信息
| 中文名 | 太陽星云 |
| 外文名 | Solar Nebula |
| 分類 | 星云 |
| 組成物質(zhì) | 氣體云和塵埃云 |
| 平均密度 | 10-20～10-8g/cm3 |
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名詞解釋
星云溫度只有幾十 K，密度 10～10g/cm，中心部位溫度較高。星云塌縮后光度和溫度急劇上升，在星云盤中心形成太陽。其他距原始太陽不同距離的物質(zhì)逐漸凝聚成不同化學(xué)成分的星子。在距太陽不同區(qū)域星子吸積形成各大行星和衛(wèi)星。
太陽星云是讓地球所在的太陽系形成的氣體云氣，這個(gè)星云假說最早是在 1734 年由伊曼紐·斯威登堡提出的。在 1755 年，熟知斯威登堡工作的康德將理論做了更進(jìn)一步的開發(fā)，他認(rèn)為在星云慢慢的旋轉(zhuǎn)下，由于引力的作用，云氣逐漸坍塌和漸漸變得扁平，最后形成恒星和行星。拉普拉斯在 1796 年也提出了相同的模型；這些可以被認(rèn)為是早期的宇宙論。
太陽星云
當(dāng)初僅適用于我們自己太陽系的形成理論，在我們的銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了超過 200 個(gè)外太陽系之后，理論學(xué)家認(rèn)為這個(gè)理論應(yīng)該將能適用整個(gè)宇宙中的星系形成。
形成來源
形成環(huán)境
太陽星云
形成條件
太陽星云照片
形成過程
初期的崩潰
云團(tuán)初期的崩潰
中央不斷壓縮使它變?yōu)榱艘活w質(zhì)子星，原先的氣體則繞著它公轉(zhuǎn)。大多數(shù)氣體逐漸向里移動(dòng)，又增加了中央原始星的質(zhì)量。也有一部分在自轉(zhuǎn)，離心力的存在使它們無法往當(dāng)中靠攏，逐漸形成一個(gè)個(gè)繞著中央星體公轉(zhuǎn)的“添加圓盤”并向外輻射能量慢慢冷卻。
第一個(gè)制動(dòng)點(diǎn)
氣體逐漸冷卻，使金屬、巖石和（離中央星體遠(yuǎn)處）冰可以濃縮到微小粒子（比如氣體又變回成灰塵）。添加圓盤一形成，金屬便開始凝結(jié)（對于某個(gè)流星的同位素測量，估計(jì)是在 45.5～45.6 億年前），巖石凝結(jié)得較晚（44～45.5 億年前）。
灰塵粒子互相碰撞，又形成了較大的粒子。這個(gè)過程不斷進(jìn)行，直到形成大圓石頭或是小行星。
快速生成
云團(tuán)快速生成
第二個(gè)制動(dòng)點(diǎn)
星云冷卻 100 萬年后，這顆星產(chǎn)生了強(qiáng)勁的太陽風(fēng)，將星云中剩余的氣體全部吹散。如果質(zhì)子星夠大，它的重力將能吸進(jìn)星云中的氣體，變成氣態(tài)巨型星，反之，則成為一個(gè)巖石質(zhì)星體或冰質(zhì)星體。
演化過程
極端冷凝
盡管頑輝石球粒隕石形成于非常特殊的條件，但對該類隕石的研究自 Keil（1968）的開創(chuàng)性工作以來緩慢進(jìn)展，其中重要的因素是該類隕石缺少一些關(guān)鍵的巖石類型（如 EL3）、樣品少且極易風(fēng)化。該項(xiàng)目通過對我國清鎮(zhèn)隕石（EH3）和新發(fā)現(xiàn)的南極隕石MAC 88136（EL3）等系統(tǒng)對比研究，翻開了頑輝石球粒隕石研究的新章節(jié)（Lauretta，2002，Meteorit Planet Sci，37，475～476）。通過該項(xiàng)研究，首次建立了極端還原條件下太陽星云中金屬和各種硫化物的凝聚順序，從高溫到低溫依次為：隕磷鐵礦、隕硫鈣礦、隕硫鎂礦、金屬相、閃鋅礦－隕硫鐵銅鉀礦、各種鉻硫化物；提出硫化物的四種成因機(jī)制，包括星云的氣－固相凝聚、金屬相的硫化反應(yīng)、固相出熔、礦物的分解等；提出星云凝聚早期存在高溫熔融事件的觀點(diǎn)和證據(jù)；提出 EH 較 EL 群形成于更加還原的星云條件，并首次明確給出這兩個(gè)化學(xué)群隕石母體在巖石礦物學(xué)特征上的主要異同點(diǎn)和相應(yīng)的分類參數(shù)。
熱變質(zhì)
太陽星云
還原區(qū)域
從形成于太陽星云極端還原區(qū)域的清鎮(zhèn)隕石中首次分離出大量太陽系外物質(zhì)，通過對其中部分樣品的 C、N、Si 等同位素分析，首次在頑輝石球粒隕石中發(fā)現(xiàn)超新星成因類型的 SiN；發(fā)現(xiàn)新的 Si 相對貧化的超新星成因類型 SiC，其同位素組成與超新星理論模型給出的結(jié)果非常吻合，表明可能存在多種超新星或不同圈層來源的太陽系外物質(zhì)。通過與形成于太陽星云氧化區(qū)域的碳質(zhì)球粒隕石中的太陽系外物質(zhì)對比，提出太陽系外物質(zhì)在原始太陽星云中不均一分布的觀點(diǎn)和證據(jù)。
凝聚模型
在獵戶座大星云中形成的行星盤
星云假說
原始星云
假說主張一個(gè)行星系統(tǒng)原始的型態(tài)應(yīng)該是一個(gè)巨大的（典型的直徑應(yīng)該有 10000 天文單 位），由非常低溫的星際氣體和一部分巨大的分子云組成，大致成球形的云氣。這樣的一個(gè)星云一旦有足夠的密度，在本身的重力作用下便會(huì)開始收縮，也可能經(jīng)由鄰近區(qū)域產(chǎn)生的重力波（像是超新星造成的震波）壓迫了分子云，造成重力塌縮的開始。星云的成分將反映在形成的恒星上，像我們自己太陽系的星云相信是有 98% 來自大批量的氫和氦（以質(zhì)量計(jì)算），以及 2% 來自早期死亡的恒星拋回星際空間的重元素組成（參見核合成）。重元素所占的比例就是所謂的星云的金屬性。在統(tǒng)計(jì)上，金屬性高的恒星（也就是在金屬含量較高的星云中形成的恒星）較有可能誕生行星。一旦開始，太陽星云的收縮就會(huì)慢慢的、但無可避免的加速。
在塌縮中，有三種物理過程會(huì)塑造星云：溫度上升、自轉(zhuǎn)加速和平坦化。溫度的上升是因?yàn)樵蛹铀傧蛑行牡袈洳⑸钊胫亓?，并變得更為緊密，碰撞更為頻繁，重力位能被轉(zhuǎn)換成動(dòng)能或是熱能；其次，即使當(dāng)初極為細(xì)微的，太陽星云只要有一點(diǎn)點(diǎn)的凈自轉(zhuǎn)（角動(dòng)量），會(huì)因?yàn)榻莿?dòng)量的守恒，星云的尺寸縮小時(shí)就必需轉(zhuǎn)得更快；最后，星云必須成為扁平的盤狀，稱為原行星盤，是因?yàn)楫?dāng)氣體的小滴碰撞和合并時(shí)，它們運(yùn)動(dòng)的平均值傾向于凈角動(dòng)量的方向。
對八塊不同年代，但都在太陽系形成的最初三百萬年內(nèi)的隕石所做的地質(zhì)分析顯示，大約在太陽形成的一百萬至二百萬年，太陽系曾經(jīng)遭受 鐵的轟擊，其來源可能是和太陽在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)誕生，但短命的巨型恒星成為超新星所導(dǎo)致的。
暗星云
如果氣體塵埃星云附近沒有亮星，則星云將是黑暗的，即為暗星云。暗星云由于它既不發(fā)光，也沒有光供它反射，但是將吸收和散射來自它后面的光線，因此可以在恒星密集的銀河中以及明亮的彌漫星云的襯托下發(fā)現(xiàn)。
暗星云的密度足以遮蔽來自背景的發(fā)射星云或反射星云的光（比如馬頭星云），或是遮蔽背景的恒星。天文學(xué)上的消光通常來自大的分子云內(nèi)溫度最低、密度最高部份的星際塵埃顆粒。大而復(fù)雜的暗星云聚合體經(jīng)常與巨大的分子云聯(lián)結(jié)在一起，小且孤獨(dú)的暗星云被稱為包克球。
暗星云
原恒星
一個(gè)密度不斷增加的原恒星會(huì)累積成為太陽星云的重心。當(dāng)行星在盤中形成的過程中，原恒星會(huì)持續(xù)的變得更為緊密，直到一千萬至五千萬年后，它最后終于達(dá)到核融合所需要的溫度和壓力，這時(shí)恒星就誕生了。一顆這樣的年輕恒星（金牛 T 星）所發(fā)出恒星風(fēng)，比形成恒星的力量強(qiáng)大許多，最后將會(huì)吹散掉剩余在行星盤的氣體，并且結(jié)束主要的吸積過程（特別是氣體巨星的）。像在恒星生命中的許多過程，在原恒星階段所花費(fèi)的時(shí)間也取決于質(zhì)量，質(zhì)量越大塌縮的越快。
太陽星云
微行星
太陽星云
因?yàn)槲⑿行堑臄?shù)量眾多，并且散布在原行星盤中，就有許多可能發(fā)展成行星系統(tǒng)。小行星被認(rèn)為是剩余的微行星，彼此間逐漸磨損成越來越小的碎片，同時(shí)彗星則是在行星系中距離較遠(yuǎn)的微行星。隕石是落到行星表面的微行星樣品，并且提供我們許多太陽系形成的訊息。原始型態(tài)的隕石體是被撞碎的低質(zhì)量微行星的大片碎塊，沒有因?yàn)橹亓Χl(fā)生分化；同時(shí)，分化過的隕石體則是質(zhì)量較大的微行星被撞擊后的大片碎塊。只有最大的那些微行星能在遭受到低質(zhì)量微行星的撞擊后還能夠繼續(xù)的成長。
寡頭成長
當(dāng)微行星成長時(shí)，它們的數(shù)量逐漸減少，碰撞的頻率也會(huì)降低。由于自然成長的隨機(jī)性，使得微行星成長的速率各自不同，而有些會(huì)成長的比其他的都大。當(dāng)微行星繞著新生的恒星轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)態(tài)摩擦使得微行星的動(dòng)能（動(dòng)量）保持著平均的分布，因此最巨大的運(yùn)動(dòng)的速度也最慢，軌道也趨近于圓形；而較小的微行星運(yùn)動(dòng)的速度較快，軌道的扁率也較大。值得注意的是，運(yùn)動(dòng)越遲緩的天體有越大的碰撞截面積，重力則可以提高一顆微行星攔截到另一顆微行星的半徑。必然的，越大越慢的微行星能更加有效的兼并周圍共同成長中的微行星；而速度較快、質(zhì)量較低的微行星就難以繼續(xù)成長。
這迅速的導(dǎo)致逃離過程，在盤內(nèi)每一個(gè)區(qū)域中最大的微行星將成為各區(qū)的主宰，會(huì)比微行星海中其他的成長的更快。這些大質(zhì)量的個(gè)體完全的掌握在盤中的固體物質(zhì)，稱為寡頭執(zhí)政，意味著少數(shù)規(guī)則；這種過程稱為寡頭成長。這些少數(shù)的微行星在大小上迅速的增加，在寡頭成長開始前，已經(jīng)有數(shù)十公里的直徑，將成長到幾百公里，最終可以到數(shù)千公里的直徑。
太陽星云
無論寡頭者是如何的繼續(xù)成長，它們在（在凍結(jié)線的內(nèi)側(cè)）一百萬年內(nèi)可以達(dá)到的典型大小是 0.5～1 個(gè)地球質(zhì)量上下，已經(jīng)大到足夠被稱為原行星。因?yàn)橛懈呙芏鹊墓腆w物質(zhì)可以利用，在盤的外側(cè)可以生長得更大。在類地行星的區(qū)域內(nèi)可能有幾打的寡頭者彼此遠(yuǎn)離的散布著，在動(dòng)態(tài)性的隔離下，即使經(jīng)過數(shù)百萬年或數(shù)千萬年也不會(huì)碰撞在一起。
不均勻的溫度
在原行星盤內(nèi)的溫度是不一致的，并且這是了解地球型和木星型行星之間分化的鑰匙。在凍結(jié)線內(nèi)側(cè)的溫度太高（超過 150K）使氫化物不能凝聚，它們?nèi)匀槐３謿怏w狀態(tài)；能夠被堆積的只有金屬和硅酸鹽類的塵粒。因此在這個(gè)區(qū)域的微行星整個(gè)都由巖石和金屬組成，例如小行星，并且組成類地行星。
在凍結(jié)線的外側(cè)，由氫組成的水、甲烷和氨都能夠凝固成固體，成為“冰”的顆粒并且堆積起來。巖石和金屬的塵粒依然可以利用，但氫化物的數(shù)量更為豐富，不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過，而且隨處都是。因此在這一區(qū)域的微行星以冰為主體，而僅有少量的金屬與巖石在內(nèi)。在柯伊伯帶和奧爾特云的天體、彗星、海王星巨大的衛(wèi)星－崔頓，或許還有冥王星和他的衛(wèi)星－凱倫，都是“臟雪球”的例子。由于有許多的固體物質(zhì)可以使用，即使在碰撞較不頻繁和較低的速度下（在更大的軌道），這些微行星依然可以發(fā)展成非常巨大的行星（質(zhì)量大約是地球的 10 倍），使得它們的引力足以吸附氨氣和甲烷，甚至是氫氣。一旦開始這樣的程序，它們將迅速的增長，因?yàn)樵诒P中占有 98% 的氫和氦，會(huì)使它們的質(zhì)量大增，而且引力網(wǎng)也會(huì)張得更大。
類木型微行星
類木型的微行星不再像是由冰冷的微行星組成的，由于大量的氫氣和氦氣或多或少的都會(huì)使得巨大的氣體云核心密度更為堅(jiān)實(shí)。然后這些類木型的氣體球－在與太陽系相似的比喻下，逐漸的產(chǎn)生重力塌縮、加熱、提高轉(zhuǎn)速和趨向扁平。一些類木行星的衛(wèi)星可能也在行星本身類似的機(jī)制下形成，在原行星的重力塌縮中，從被濃縮的原行星盤中的塵粒中凝聚而成。這或許可以解釋，在我們的太陽系中，類木行星有如此眾多的衛(wèi)星和為何自轉(zhuǎn)得如此快速。當(dāng)年輕的恒星發(fā)出的強(qiáng)風(fēng)將剩余的氣體和塵粒從恒星盤吹散進(jìn)入其外的星際空間時(shí)，類木行星的成長就結(jié)束了。
以最簡單的說法，在最內(nèi)側(cè)的巨大原行星核形成星盤內(nèi)密度最高的區(qū)域，并且動(dòng)態(tài)時(shí)間（典型的時(shí)標(biāo)是碰撞）是最短的，因?yàn)檫@個(gè)天體位在盤內(nèi)氣體最密集的區(qū)域，能及早達(dá)到捕捉氣體所需要的臨界質(zhì)量，并且和環(huán)繞的氣體有最長的共生時(shí)間。在我們自己太陽系內(nèi)，木星是在凍結(jié)線外側(cè)最大的原行星核，履行前述的規(guī)則，成為系統(tǒng)內(nèi)最大的行星。實(shí)際上，過程可能很復(fù)雜，行星遷移和湍流會(huì)使流程混淆；與現(xiàn)今觀察到的系外行星比較，在我們自己系統(tǒng)內(nèi)的行星發(fā)展也許，甚至反倒是有些異常的。
解釋意義
星云假說可以有效的解釋太陽系中一些主要的現(xiàn)象：
?行星和衛(wèi)星的規(guī)則運(yùn)動(dòng)（所有的行星都幾乎在同一個(gè)平面上，以接近圓形的軌道，以相同的方向繞著太陽公轉(zhuǎn)，而且所有的自轉(zhuǎn)也幾乎在同方向）；
?類地行星和類木行星有明顯的區(qū)別（質(zhì)量、與太陽的距離、組成、衛(wèi)星和環(huán)系統(tǒng)）；
?小天體（小行星和彗星，無論周期的長或短）；
理論解釋
最后，在恒星風(fēng)吹掉盤中的氣體之后，還有大量的原行星和微行星被留下來。在超過一千萬至一億年的周期中，這些原行星（典型的質(zhì)量界于月球和數(shù)個(gè)地球之間）會(huì)互相攝動(dòng)，直到軌道相互橫越并發(fā)生碰撞為止。這些天體經(jīng)由碰撞的結(jié)果，最后成為系統(tǒng)內(nèi)的行星。這種碰撞：相信是原地球和火星大小原行星的碰撞，形成了地球和月球。這種程序是高度隨機(jī)的，一個(gè)與我們相似的類地系統(tǒng)的形成，可能很快就會(huì)結(jié)束。所能產(chǎn)生的內(nèi)行星也許比我們在太陽系內(nèi)觀察到的更少，但也可能更多。
較小的微行星，在數(shù)量上也會(huì)比較多，在恒星系統(tǒng)內(nèi)存在的時(shí)間也會(huì)比較長久。這些天體也許會(huì)在“清除鄰里”的過程中被行星清掃掉；可能會(huì)被投擲到外面遙遠(yuǎn)的邊緣（在我們的太陽系是奧爾特云）；或僅是持續(xù)的輕推進(jìn)入內(nèi)側(cè)與其他的行星碰撞或相對是穩(wěn)定的軌道。這種連番轟擊的時(shí)期可能長達(dá)數(shù)億年，并且也許會(huì)在地質(zhì)上留下一些可以看見的撞擊坑痕跡。有些論點(diǎn)認(rèn)為，只要在系統(tǒng)內(nèi)還有可以利用的小巖石或冰凍的天體，這個(gè)階段就還未真正的完成。1994 年，舒梅克－李維九號(hào)彗星撞擊木星所展示的能量，正好彰顯了小行星或彗星撞擊地球可能的威脅。
隕石研究
頑輝石球粒隕石
星球
?EH 與 EL 群隕石是否分別存在獨(dú)立母體？造成這一困惑的原因是全部收集到的 EH 群隕石具有從 EH3、EH4、EH5 等不同熱變質(zhì)類型的巖石，而全部 EL 群隕石為強(qiáng)熱變質(zhì)的 EL6型樣品，它們之間似乎構(gòu)成一個(gè)連續(xù)的演化序列；
?全部 EL 群隕石為強(qiáng)熱變質(zhì)樣品，因此其與 EH 群隕石之間的差異反映了兩者熱變質(zhì)程度的不同，或繼承了母體之間的差異？；
?出于同樣的原因，一些頑輝石球粒隕石化學(xué)群的劃分存在爭議。
強(qiáng)還原區(qū)域星云
中國清鎮(zhèn)隕石是已知最原始和新鮮的 EH3 型隕石，對該隕石的深入研究，并結(jié)合其他 EH3 型隕石的分析，獲得有關(guān)強(qiáng)還原區(qū)域星云演化的諸多新認(rèn)識(shí)，包括：
?闡明礦物的四種成因機(jī)制（氣－固相凝聚、金屬相硫化反應(yīng)、礦物分解和出熔），并發(fā)現(xiàn)一些礦物具有多種成因類型。通常認(rèn)為隕硫鐵由金屬相的硫化反應(yīng)形成，因此大量氣－固相凝聚成因顆粒的發(fā)現(xiàn)表明強(qiáng)還原區(qū)域太陽星云的冷凝是一個(gè)平衡或趨于平衡的過程；
?發(fā)現(xiàn)太陽星云冷凝、顆粒加熱和冷卻擴(kuò)散等多種成因類型礦物組成環(huán)帶，結(jié)合閃鋅礦和尼寧格礦溫度計(jì)，提出強(qiáng)還原區(qū)域太陽星云的熱演化模型；
?發(fā)現(xiàn)一種含水的新礦物，其化學(xué)組成為 FeCrS？HO。
EL3 型隕石
在南極隕石中發(fā)現(xiàn)了第一個(gè) EL3 型隕石，從而確證 EL 群隕石具有獨(dú)立的母體和完整的熱變質(zhì)系列。在此基礎(chǔ)上，率先開展 EL3 與 EH3 型隕石的對比研究，闡明了 EH 與 EL 群隕石母體在巖石礦物學(xué)上的主要差異，提出 EH 群隕石母體形成于較 EL 群更加還原的條件。Sears 等 1984 年在《Nature》上報(bào)導(dǎo)了第一個(gè) EL5 型隕石，但隨后的研究表明該隕石屬于 EH 而不是 EL 群。
發(fā)現(xiàn)了新的頑輝石隕石類型，其巖石礦物化學(xué)特征介于 EH 與 EL 群之間，反映了太陽星云的化學(xué)組成在空間上具有連續(xù)變化的特點(diǎn)。該類型隕石的發(fā)現(xiàn)使頑輝石球粒隕石的化學(xué)群由 2 個(gè)增加到 3 個(gè)。
F－金云母
在確立 EH 和 EL 群隕石母體巖石礦物學(xué)特征的基礎(chǔ)上，開展強(qiáng)還原條件下隕石熱變質(zhì)作用的研究，首次發(fā)現(xiàn)該類隕石在熱變質(zhì)過程伴隨明顯的還原反應(yīng)。在南極隕石中發(fā)現(xiàn) 4 個(gè)沖擊熔融 EH 群隕石，結(jié)合不同巖石類型 EH 和 EL 群隕石的對比研究，并借助各種宇宙溫度計(jì)和閃鋅礦溫度－壓力計(jì)等，提出 EL 群隕石母體具有緩慢冷卻和相對開放體系的特征，而 EH 群隕石母體經(jīng)歷了碰撞破碎、再重新吸積等復(fù)雜的演化歷史。此外，在頑輝石隕石中首次發(fā)現(xiàn) F－金云母，提供了研究揮發(fā)性組分在強(qiáng)還原隕石母體中演化的重要線索。
太陽的歸宿
大仙女座星云
探索的必要
到那時(shí)候我們的后代不知道要怎樣生存（如果那時(shí)候還有我們的后代的話），也許有什么辦法維護(hù)我們的地球，把它變成一個(gè)超級(jí)宇宙飛船，改變軌道，飛離太陽系，飛離銀河系，在更廣闊的空間給地球安個(gè)新家；也許無情無義的拋棄地球（畢竟人是什么事都做得出的），全人類乘上巨大的諾亞方舟帶著動(dòng)植物、水、制造氧氣的原料、還有鍋碗瓢盆去尋找地球的替代品。
太陽星云圖
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尚可名片
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