密度波理论揭示的地质灾变事件与银河系螺旋场之间的联系

2010-05-09张维加邹晓东俞杭杰DanielConnelly

湖南文理学院学报(自然科学版) 2010年3期

张维加, 邹晓东, 俞杭杰, Daniel Connelly

张维加1,4, 邹晓东1, 俞杭杰2, Daniel Connelly3

(1. 北京大学物理系, 北京, 100871；2. 中山大学物理系, 广东珠海, 510275；3. MAPCIS研究所, 美国新泽西州米利威尔第十大街1700N号, 08332;4. 北京大学元培计划委员会, 北京, 100871)

许多似乎是无法解释的地质灾变事件对我们的地球和生物圈有着重大的影响. 令人疑惑的是这些灾变事件往往同时发生. 通过现代银河系天文学的计算，本文试图运用密度波理论来对此加以解释. 通过对旋臂引力场内的能量转移计算，我们获知了撞击事件对于太阳，地球，月球的不同程度的影响. 其中，我们发现引力撞击时地球能量存在净损失，并且地球与小星体发生撞击的概率会显著升高. 巧合的是，每次太阳系绕过银河系旋臂都对应于一次撞击事件. 由此，银河系对日地系统所产生的影响能为地质灾变事件提供可能的解释.

密度波理论；撞击事件；地质灾变

地质灾变事件(似乎是无法解释的)对地球和塑造我们的生物圈有着重大的影响. 一个更为困惑的问题是, 为什么这些灾变事件, 例如撞击事件、火山喷发、海退、构造运动等总是同时发生. 本文试图运用密度波理论来对此加以解释.

密度波理论是由C. C. Lin和Frank Shu[1-4]在20世纪60年代中期提出的, 当时是以此来解释螺旋星云的旋臂结构. 他们的理论介绍了长时期的准静态密度波, 这是银盘有更大的质量密度(约大10％~20％). 该理论也被成功地应用到土星环.

起初, 天文学家认为银河系的旋臂是物质的. 但如果是这样的话, 旋臂将会变得越来越紧密, 因为越靠近银河系中央的物质旋转速率越是大于银河系边缘物质的. 因此, 银河系的旋臂就不能很好的与其他轨道相区别, 这就是所谓的缠绕问题. Lin和Shu在1964年提出[1], 旋臂是非物质的, 而是由较大密度的区域所组成. 在银河系中, 星、气、尘等物质穿越密度波时, 会被压缩后穿出去.

他们的假说指出以下几种观点：

a. 旋臂是相当年轻的, 并连续不断地出现和消亡(无序的螺旋模式)；

b. 螺旋模式是一个临时现象, 起因于最近的暴力扰动, 例如, 遭遇另一个星系(潮汐模式)；

密度波理论模型能够解释最多的螺旋星云的特点. 现在, 此假说被Zheng 等[5]的最新观察证明是真实的. 他们测出了英仙座旋臂的距离是1.95 ± 0. 04 kpc(5.86×1 016 km), 这解决了长期存在的问题, 有一个不同的技术之间的二因素的差异来确定距离. 对于差异的原因是, 这次英仙座旋臂部分已经异常的运动. 该运动的方向异常与螺旋密度波理论一致.

1 Lin-Shu假说(QSSS)

图1是有关似稳态螺旋结构的简要概括[1].

图1 密度波的自组织模式[2]

作为第一步, 我们将分散的速度完全忽视. 则有以下一组方程：

解是一个螺旋形. 潜在的扰动：

2 对地球的影响

为了阐明地球历史的这些现象, 必须牢记太阳系的以下重要环境.

在图2中, 太阳系的位置与轨道都已描绘出. 因为太阳系的速率是银河系旋臂速率的1倍. 太阳系通过四大旋臂的时间是520 Ma. 因此, 如果我们把旋臂当做1个参考系, 那么太阳系的520 Ma就可看作是1个周期. 基于近期的研究表明[6], 像其他星系一样, 银河系有2个主要的旋臂. 大多数螺旋星系都有2个旋臂且两侧对称, 这也对银河系有效. Benjamin[6]观察提出, 银河系有2个旋臂, 一个是英仙座旋臂; 一个是半人马座旋臂. 其他的属于次要或附属旋臂. 根据当前的位置, 我们可以推出6 500万年, 太阳系很可能是在半人马座旋臂. 2.5亿年, 太阳系很可能是在英仙座旋臂. 太阳系的周期划分见图3.

图3 太阳系自晚前寒武纪起在银河系中的运动

3 旋臂对地-月-日系统的影响

3. 1 在旋臂引力场的能量转移

螺旋潜力也引起了额外的引力场. 由于螺旋臂的质量密度是空间的几十倍, 额外的引力场将会对太阳系产生影响.

当太阳系接近旋臂密度低的一部分, 后者的引力场工作, 加速了太阳系. 增加的能量等于由螺旋臂所做的功.

式中L为旋臂低密度部分质量.

图4 太阳系从旋臂一段经过时的过渡过程

b. 对地球而言, 有地球的拉格朗日方程：

此影响是相当可观的. 根据太阳辐射和地球与太阳距离的因果关系, 这种变化会导致地球上的温暖气候. 这可能是对奥陶系和白垩纪时期温暖气候的合理解释.

c. 在月球上的影响, 我们会发现月球轨道不会改变.

3. 2 撞击-引起能量损耗

此外, 引力撞击被视为弹性撞击, 同时也伴随着机械能的转移. 地球能量的净损失可能与一个真正撞击事件所引起的相当.

4 结论

在本文中, 密度波理论用来试图解释地质灾变事件和古生物记录. 巧合的是每次太阳系绕过银河系旋臂都对应于一次撞击事件. 此外, 地球在穿过旋臂时温度升高, 温度在地球穿出旋臂时达到极值. 这些事件似乎与地质记录相符.

计算表明, 银河系的旋臂会对日地系统产生影响, 这种影响在天文学上往往可以被忽略, 而在古生物学中是很明显的. 地球的能量转移发生在旋臂的引力场, 从而最终降低地球的机械能, 减小了地球与太阳的距离, 从而对生物节律和潮汐韵律提供了一种可能的解释. 为了弥补地球上可能被破坏的陨石坑记录, 我们可以到月球上去寻找, 这些研究正在进行之中.

致谢:北京大学物理系雷扬老师为本文提供了重要帮助，特此表示感谢.

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Discussion on the relationship between geological catastrophes and Milky Way spiral potential

ZHANG Wei-jia1,4, ZOU Xiaodong1, YU Hang-jie2, Daniel Connelly3

(1. Department of Physics, Peking University, Beijing 100871, China; 2. Department of Physics, Sun Yat-sen University, Zhuhai 510275, China; 3. MAPCIS Research Centre, 1700N Tenth Street, Millville, NJ 08332, U.S.A; 4. Committee of Yuanpei Honors Program, Peking University, Beijing 100871, China)

Geological catastrophes, which seem to be unexplainable, had influenced the Earth and shaped the biosphere greatly. It is the question that why those catastrophes always happened simultaneously. This manuscript mainly tried to explain this point by Density Wave theory. According to the calculation of energy transfer in the spiral arm’s gravitational field, the different Impact-caused influence was found out on the Sun, the Earth and the Moon, also, that the net loss of Earth’s energy can be as large as true impacts. Coincidentally, but still disputed, each time Solar System entered into the spiral arms corresponds to impact events, respectively. It may cast light on the explanations of geological catastrophes.

density wave theory; impact; geological catastrophes

P 31; P 156; P 13

1672-6146(2010)03-0020-05

10. 3969/j. issn. 1672-6146. 2010. 03. 008

2010-06-09

美国地质学会（Geological Society of American）资助项目(20094815).

张维加(1986-)，男，博士研究生，研究方向为天体物理.