空间物理学导论——太阳系的形成

空间物理学导论——太阳系的形成 摘要 截止二十世纪末，关于太阳系形成的假说已有一百多个，但这些假说仅能说明太

阳系存在的部分事实。因此本文提出：太阳系的诞生，导源于银河系中的一次并行的黑矮星之间的天体碰撞事件；碰撞中伴随着巨大的能量转换和能量释放过程；随能量的转换，物态上也起了巨大的变化，形成了太阳元素和地球元素。随之，有关太阳系物质的起源、物质存在状态、物质存在状态间的联系以及太阳系运动的动力学原理诸方面的问题都得到了顺理成章的解释。

主题词 黑矮星 天体碰撞 能量转换

主体 引言：地质研究表明，我们人类居住的星球——地球，是在50亿年前由一个完全熔融的

球体凝成的，球体外面环绕着稠密的大气层，其中有空气和水蒸气，可能还有挥发性很强的气体。这一大团炽热的宇宙物质是从哪里来的？是什么样的力量决定了它的形成呢？

正文：这一有关我们的星球和整个太阳系的起源问题，是多少个世纪以来一直萦绕在天文

学家头脑中的一个谜。自十八世纪起，由于天文观测资料的丰富和积累，对宇宙认识的扩大和深化，各式各样的太阳系演化假说蓬勃发展起来，到二十世纪末，太阳系演化假说已达一百多个。这些假说的提出和论争，使人们进一步加深了对太阳系的认识。但是，在目前已经提出的上百个太阳系起源演化的假说中，都是从太阳系目前结构和运动的某些特征出发，它们都仅只能说明一部分现象。迄今为止，还没有一个假说能够圆满解答太阳系的多种多样的现象，本来，探索太阳系的起源是有许多困难的，这是遥远年代以前的事，没有一个人目睹这个过程，一切都只能依靠今天的事实和分析来论证。 目前，太阳系起源于原始太阳星云是多数学者的看法。但地质研究表明，地球的早期，表面分为泛大陆和泛大洋，现今各大陆是由泛大陆分裂以后的碎片飘移而形成的。各大陆板块的形状、地层、制造、岩相、古生物群落的分布、古气候及地球物理特征等，都说明了这一点。地球早期的这个形态特征表明，它是从一个更大的星球上被撞下来的含有花岗质壳层和基性岩壳层甚或是包括冰水壳层物质的碎片演化而来。假若是由星云凝成的，就不可能有地球早期的这个形态特征。 基于此，考虑到地球元素的起源（地球不具备从星际物质合成地球元素的条件）、天体演化等因素认为：我们的地球、包括整个太阳系的诞生，起源于一次天体碰撞事件。发生碰撞的两天体应为演化到最后阶段的暗天体——黑矮星。两这个黑矮星，一个是作为太阳系诞生的母体矮星——原始的日球，一个是作为太阳系诞生的父体矮星——原始的木星。 设想，原日和原木，本为银河系家族的成员，它们沿各自的园形轨道绕银心运行。从太阳行星系运行轨道平面与银道平面有很大的交角可以推知，它们绕银心运行的轨道是平行的、并行的，它们彼此处于相对静止状态，均以250km/s的速度绕银心运行。由于它们彼此间有万有引力作用，使它们的作相向运动。终以8500km/s的运动速度发生倾斜碰撞，由此诞生了我们今天的太阳系。碰撞大约是这样发生的：碰撞首先使原日的冰水圈层破裂为大小不一的碎块，并由原木获得相当大的碰撞运能，以极大的初速度，飞入太阳系外层轨道，成为今天数目众多的慧星。紧随其后，是原日的岩石圈碎裂，形成较大的和较小的碎块，并由原木获得碰撞初速度而具有要当大的动能。这些获得动能的大小不一的碎块，首先在原日面发生摩控滚动运动，使部分动能转化为自转角动能，脱离原日后，这些自转角动能继续保持，成为今天各大行星及其卫星的自转运动能量的由来。考察今天九大行星赤道处的自转运动线速度自远（冥）而近（水）分别为0．3、18．6、19﹒1、10．2、12．6、0．25、0．47、0．02和0．03km/l。一般来说，由远至近有由大变小的明显趋势，这是由于它们所获得的初速度，以及它们在日面作摩控运动时间及自身的质量等几方面综合因素所决定的。如距太阳较远的海王星、天王星和土星，是较早被撞下来的壳层碎块，它们在原木那里接受的碰撞动能大，初速度高，在原日面作摩擦滚动运动的时间长，所以自转速度和脱离碰撞主体星原日的运动初速度高，所以处于外轨道，且自转速度快。而火星、地球、金星及水星等，随后相继脱离碰撞主体星原日，原木所具有的冲击动能已相继递减。从原日面摩控滚动的跑道已越来越短，而且膨胀的气壳物质已大量生成，阻力大增，所以，它们从原木那里获得的动能、初速度，以及自转速度也相继递减。而冥王星是首先被撞下来的， 为什么它的赤道处自转运动线速度明显较低呢？这是因为，那时的原日固态冰水壳层尚未来得及气化，故摩擦系数小，因此，其赤道处自转运动线速度也十分明显地较低了。 天王星的姿态有些特别，它实际上是侧卧着的，就象一个旋转的陀螺一样。它的这种运动姿态说明，原日面可能并不平坦，有高大的山体，在她获得绝大部分自转动能，就要脱离原日面之时，在她的一侧撞到山体，使她顺过未脱离原日面，形在了她特别的运动姿态。她也有能量将山体撞离，为后来者开辟道路。 值得指出的是金星，它有与其它行星相反的自转运动方向，它的自转角动能的获得，有别于其它行星的成生方式。它不是从原日面滚动，而是在原木面滚动而获得自转动能的。因为它是趋向于最后形成的行星，当它生成的时候，原木（可能仅余下坚实的核部）已经深入原日壳层深部，仅露脊背，仍有相当大的动能，被原木掘下的（而不是撞下的）原日壳层块——原始金星，在原木坦露的脊背上滚动着获得原木的动能及自转角动能，以这样的方式获得的运动初速度，当然远不及其它行星大，因此处于内轨道，以这样的方式获得的自旋运动方向，当然与其它行星的自旋方向相反，且能量较低，自转周期很长，达243天逆向旋转一周。 碰撞中，原木亦粉身碎骨，脱去外壳层，核部与原日作用，亦使自身的产分动能转化为自转角动能，并以较大的残余速度脱离原日，并超越水星、金星、地球及火星飞入外轨道，成为今天的木星。脱离碰撞现场的木星，伴随大量的气化物并裹携大量的碰撞碎块，在木星以残余速度飞入轨道的途中，部分被抛撒于后，成为今天的小行星带，未能挣脱木星引力场的，则成为木星的部分卫星及木星环。 太阳也在这次碰撞事件中获得自旋角动能，所以，太阳也有自转运动，且与行星自转方向相同，碰撞中（伴随气化），赤道处的遭扭力最大，两极最小，故至今太阳赤道处仍以25日一周的速度旋转，而轴部则以35日一周的速度自转，如是不考虑原日和原木原有的自转角动能，以及大量碰撞碎块后来又被太阳及九大行星吸引而陨落，使自身自转角动能改变这些后期因素的影响，那么，太阳的自转角动能应和九大行星及其卫星的自转角动能相等，或要大些，因还有原木对其碰撞的推动力这一重要的因素。 还应该进一步说明的是：为什么原木对原日的碰撞所产生的九大行星的运行轨道不是长椭园形？这一问题也是可以说明白的。由于原木对原日的碰撞，大部分碰撞动在碰撞中转化为热能，产生了大量气化物质和尘粒，在碰撞中迅速膨胀，形成气壳，这些随碰撞而产生的迅速膨胀的气壳，可能充斥了现今太阳系范围的大片空间。因此，碰撞产生的行星原始胚胎在进入运行轨道的运行过程中，受三项力的作用：第一项力是与原日球呈切线方向的运动惯性力，这是从原木那里获得的，是行星进入椭园形轨道运动的主要动力源。其二是日球对它的引力，此项力起初与惯性力呈90°交角，并随行星以切线方向脱离日球后的逐渐远离而逐渐张大，使切线运动变为抛物线方向运动。但这两项力综合作用下所产生的运动轨迹只能是长椭园形轨道。因此，还有第三项力的作用。这第三项力就是伴随碰撞作用而迅速膨胀起来的浓重的气物质及一其相伴的尘粒物质对新行星的阻力。这第三项力的作用，使原先可能产生的长椭园形轨道变得近园形一些。而作为九大行星之一的冥王星的运动轨道则有所差移，较其它行星轨道要扁些，呈蛋形。这种差异是由于其首先被撞下，气壳物质尚未大量形成，所以，其被气物质的阻力作用的改造的时间和大小要短一些、小一些的原故。而那些较冥王星诞生更早的彗星的轨 道，才真正是长椭园形的了。另外，原日在原木的碰撞下，也要产生向环绕中心方和的运动，亦为原因之一。 这些伴随碰撞而膨胀起来的气物质后来又到哪里去了？它们一少部分被九大行星俘获，成为今天九大行星的水壳层、气壳层，一部分落回日球，而大部分则被日球的辐射压吹走，逸散到星际空间去了。你只要仔细观察一下，当彗星靠近太阳的时候，总是拖着一条长长的尾巴，永远背向太阳，那正是太阳辐射压的作用。 九大行星俘获这些气物质的本领是不一样的，质量越大的行星引力越力，俘获的气物质越多，越远离太阳的行星，引力半径作用范围也越大，所以能俘获的气物质也越多。故远离太阳的质量较大的行星均成为气体巨人。我们的地球质量恰好。离太阳不过错也不近，故俘获了恰到好处的水物质、气物质，在地球上便诞生了生命。而较地球稍近太阳一些的金星，虽有与地球相仿的质量，也只能俘获一些密度稍大的CO2，而更接近太阳的水星上就只有稀薄的大气层了。 在天体碰撞事件中，伴随着巨大的能量转换和能量释放过程，其一是动能间的转换，其二是动能向热能的转换，其三是压力势能释放引起的向热能间的转换。 动能：碰撞动能的产生导源于两天体的万有引力作用，在万有引力的作用下，两天体均产生相向运动和加速a，a值等于GMR-2，通过微积分的运算导出：两天体相向运动的速度V的二次方幂与两天体之间的距离R成反比，而与其质量总和M成正比，即：V2=3GMR-1 这里G为万有引力恒星。要确定两天体的碰撞动能，关键在于取何R值，即两天体半径之和。我们假定原日和原木具有现今太阳系的总质量和木星的质量，分别为2·1030kg、2·1027kg，有天狼伴星般的密度（即3．80·109km/m3），依此计算的结果是V=8529 km/s，若视原木以8500 km/s的速度撞向原日，则原木所具有的动能为145·1039焦耳。此动能在天体碰撞中，少部分转换为太阳系成员的自转运动角动能及环绕运动的动能，而大部分则在天体碰撞中转换为热能。 压力能：固态天体内部具有极高的压力能是一个很少涉及的研究领域。以致许多天文现象得不到合理的解释。我们知道，气态物质的压力能可以用压强P和体积V的乘积来表示，固态天体内部的压力能，同样也可以用压强P和体积V的乘积来表示，而单位质量物质所具有的压力内能值，则可以用压强P除以密度D求得。 若原日那般质量（2·1030kg）的天本坍缩为天狼伴星般平均密度的天体，内部压强和单位质量所具有的压力能值随深度变化的情况是： 深度 压强值 单位质量压力能值 4 km 8．09·1019pa 2．12·1010J/kg 19 km 3．85·1020pa 1．01·1011J/kg 100 km 2．04·1021pa 5．38·1011J/kg 1009 km 2．68·1022pa 7．05·1012J/kg 5000 km 2．36·1028pa 6．2·1018J/kg 5008 km（核） 1．91·1030pa 5．0·1020J/kg 这些储存于天体内部的压力势能，在特殊的条件下，可以直接转换 为热能。其理论解释是：构成物质的分子、离子，甚至构成原子核的基本粒子，如质子、中子，屈服于外部的压力势而收缩，这些在外部压力的作用下而收缩的分子、离子，在外部压力骤减时，由于压力能的迅速释放，使这些受压迫而紧缩的分子、离子伸张而弹射出晶格，使物质从固态熔融为液态，在压务能的释放值足够大时，甚至可以使构成原子核的基本粒子，如质子、中子之类，从原