问题

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?

回答
咱们先从头说起,这太阳系的形成,说起来挺像个大工地,只不过这工地里堆的不是砖头水泥,而是星际间的尘埃和气体。

你想啊,宇宙刚开始的时候,可不是现在这么井井有条。它是一个巨大的、混沌的“尘埃云”,里面充满了各种各样的气体(主要是氢和氦),还有一些更重的元素,这些都是上一代恒星爆炸后散播出来的“遗产”。就这么漫无目的地漂浮着。

然后,某个契机来了。也许是附近一颗超新星爆炸产生的冲击波,或者是别的什么引力扰动,总之,这片尘埃云里的物质开始不那么均匀了。一些地方的密度稍微高一点,引力也就稍微大一点。这就好比你把一把沙子扔在地上,总会有那么一小撮会比别的地方稍微隆起一点。

一旦有了“小隆起”,事情就开始变得有趣了。那些密度稍高的地方,引力就更强,就会吸引周围更多的尘埃和气体往自己那里靠拢。这个过程就叫“引力坍缩”。你想想,就像滚雪球一样,雪球越滚越大,吸引的雪越多,越滚越快。

所以,太阳的诞生,就是这片尘埃云中一个特别特别大的“雪球”不停地坍缩,聚集了绝大部分的物质。当这个“雪球”的质量大到一定程度,内部的压强和温度也高到足够启动核聚变(就是氢原子开始融合成氦原子,释放出巨大的能量)的时候,一颗恒星,也就是我们的太阳,就诞生了!

那问题就来了,为什么这些尘埃不全都滚成太阳一个人呢?为什么还会剩下那么多材料,变成行星呢?

这就要说到“角动量”这个神奇的东西了。当初那片尘埃云,可不是静止不动的,它本身就带着一股旋转的劲儿,可能是一开始形成时就有的,也可能是被什么扰动“拧”了一下。

当这片尘埃云开始坍缩的时候,就像一个滑冰运动员收拢手臂会转得更快一样,整个云团的旋转速度也跟着加快了。因为物质都在往中心聚集,所以旋转就变得更加集中和快速。

这样一来,就在太阳的周围形成了一个扁平的、旋转的盘状结构,我们称之为“原行星盘”。你想想,就像甩水一样,你甩得越快,水就会被甩成一个扁平的圆盘。

在这个原行星盘里,物质不再是随便乱飞了,而是跟着这个盘一起旋转。这个时候,尘埃颗粒之间开始发生碰撞。别小看这些微小的尘埃,它们在碰撞中会互相粘连,就像灰尘在家具上越积越多一样。起初是尘埃变成小石子,小石子变成大石子,大石子再变成更大的石块。这个过程叫做“吸积”。

那么,为什么离太阳近的地方形成了像地球这样的岩石行星,而离太阳远的地方形成了像木星、土星这样的气体巨行星呢?

这就要回到温度的问题了。在原行星盘靠近太阳的区域,温度非常高。这就导致了那些比较轻的、容易挥发的物质,比如水、甲烷、氨气等等,都变成了气体,它们要么被太阳风吹走了,要么就飘散在了整个盘里,很难在靠近太阳的地方聚集起来。所以,在那里能聚集起来的,主要是那些熔点很高的岩石和金属尘埃,它们才会在引力作用下,一点点吸积,最终形成了水星、金星、地球和火星这些相对较小的岩石行星。

而当你看向原行星盘的外部,离太阳很远的地方,温度就非常低了。在那里,不仅有岩石和金属尘埃,连水、甲烷、氨气这些本来是气体的物质,也都凝结成了冰。这意味着,在这些寒冷的地带,可供吸积的物质总量一下就多了好几倍!

想象一下,同样大小的区域,有岩石和有冰,冰的体积是比岩石大多了。所以,在外部区域,那些吸积起来的固体核心,能够更快地增长到足够大的质量。一旦这些核心长到一定程度(大概是地球质量的十倍左右),它们的引力就非常强大了,强大到可以直接吸引周围原行星盘中大量的氢气和氦气,把它们“吞”进自己体内。

这就好比,在寒冷地带,你更容易滚出一个体积非常庞大的雪球,这个雪球一旦大到一定程度,就能把自己周围所有你能抓到的雪都抓过来。木星和土星就是这样形成的,它们吸积了大量的氢和氦,成为了名副其实的气体巨行星。天王星和海王星也一样,只是它们形成得更靠外,吸积到的气体可能少一些,但仍然是巨大的冰和气体的混合体。

所以,你看,太阳的形成是引力坍缩导致中心物质高度聚集,而行星的形成,则是在太阳形成后,剩余物质在围绕太阳旋转的原行星盘中,通过尘埃碰撞、吸积,以及靠近太阳区域的“高温筛选”和远离太阳区域的“低温富集”共同作用下发生的。

这整个过程,就像一个超级大的工程项目,从最初的一片混沌,到中心盖起了“主楼”(太阳),然后围绕着“主楼”的工地上,根据不同的“区域规划”(温度梯度),用不同的“建材”(岩石、金属、冰、气体),一点点搭建起了风格各异的“附属建筑”(行星)。

一切都很自然,也很符合物理规律。

网友意见

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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。


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。)


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。

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。


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。

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)

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:

jila.colorado.edu/~pja/

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。

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。

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。

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