天体尺度上的重大灾变事件——太阳系演化的插曲

赵君亮

研究员,中国科学院上海天文台,上海200030

天体尺度上的重大灾变事件
——太阳系演化的插曲

赵君亮

研究员,中国科学院上海天文台,上海200030

太阳系 行星 行星环 小行星 碰撞

太阳系经历了约50亿年的演化史。在这漫长的时期中,短时标的灾变事件可能对一些太阳系天体(包括行星、月球和其他卫星、小行星以及行星环等)的形成和演化起了某种决定性的作用。

1 太阳系起源的星云说

太阳系的起源与演化,是天体物理学的一个重要研究内容。从历史上看有关太阳系起源的学说不下数十种,它们大体上可以分为三大类,即灾变说、俘获说和星云说。

1745年,法国动物学家布丰首次提出关于太阳系起源的灾变说。他受1680年一颗大彗星接近太阳的启发,设想遥远的过去曾有一颗大彗星擦撞太阳的外缘,于是太阳便转了起来,而被撞出的物质绕太阳旋转并最终形成诸多行星。该学说的致命缺陷是彗星质量太小,与太阳碰擦不可能撞出质量比它大得多的行星物质,更不可能使原本不转的庞然大物——太阳转起来。可归类于灾变说的还有1916年英国天文学家金斯提出的潮汐说:曾有一颗恒星接近太阳,恒星潮汐力从太阳表面拉出一长条物质并绕太阳转,随着恒星的远离拉出物渐而变长并与太阳本体脱离,最终凝聚为行星。不过,后来的理论工作否定了这种可能性。

俘获说主张先生成太阳,行星和卫星等是在太阳形成后,从邻近的星际空间中俘获物质而形成,1944年苏联天文学家施米特的“陨星说”即属此类。他认为在几十亿年前,太阳以5 km/s的相对速度,进入一个尺度为10光年的星际云,并在60万年内俘获了约3%太阳质量的星际物质。这些物质在太阳周围逐渐形成一个扁平的星云盘,并进而演化为行星和卫星。不过,问题在于出现这种俘获事件的可能性实在太小。

星云说最早由德国哲学家康德(1755年)和法国数学家拉普拉斯(1796年)独立提出,他们的观念本质上是相同的,即太阳系天体起源于同一原始太阳星云。康德的学说侧重于哲理,拉普拉斯则从数学和力学上进行论述。鉴于拉普拉斯的学术威望比康德高得多,使学说得以广泛传播,后人称为康德-拉普拉斯星云说。

关于太阳系起源的现代星云说,是在康德-拉普拉斯星云说基础上发展起来的,它能解释太阳系内的大部分观测事实,因而为大多数天文学家所接受。这种学说认为,在约50亿年前,银河系中有一团总质量为几千倍太阳质量的气体尘埃云。这团星云在自引力作用下逐渐收缩,因内部湍流和涡流的作用,大星云碎裂成许多云块,其中之一便是太阳系的前身——原始太阳星云,质量不超过1.2倍太阳质量。原始太阳星云有自转,这是原来大星云中的湍流和涡流残留下来的运动。这团星云在万有引力的作用下继续收缩,中心区占绝大部分的物质形成太阳,同时收缩过程中星云的自转渐而变快,外围部分物质最终演变为扁平状,形成一个星云盘(图1,见彩插一)。

太阳形成后,由于太阳辐射和太阳风的作用,星云盘中靠近太阳的气体被向外推离,使这部分盘区内的尘埃含量相对较高,盘外围部分则是气体含量比较高。另外,物质的密度是内圈较高,离开太阳越远密度越低,而行星就是在这种状态的星云盘中形成的。这一过程的大致情况是,星云盘内的尘埃微粒在运动中互相碰撞,结合成大小不同的颗粒。较大的固体颗粒在太阳引力、离心力、气体压力等因素的作用下,逐渐沉到盘的中央平面附近,在盘内形成一个更薄的“尘层”。随着尘层内物质密度的增大,就会出现引力不稳定和转动不稳定现象,使尘层瓦解为许多颗粒团。颗粒团继续收缩和聚集,先形成一些小的团块,并进而因相互碰撞而结合成尺度1～10 km的较大团块,称为星子。

大星子引力较强,在运动过程中会不断吸积所遇到的物质和小星子并迅速长大。星子间的引力使其轨道变得复杂化,星子和星子更频繁地接近、交会甚至碰撞,于是大星子便越长越大。如两个星子大小悬殊,或相对速度不太大,它们就会结合在一起;否则,它们就会撞碎,而大多数碎块最终又会被大星子所吸积。在这种碰撞、吸积和并合的复杂过程中,行星盘中的某些区域内会产生一个相对最大的大星子,这就是行星胎。

行星胎形成后,物质集聚过程大大加快,最终形成了一颗颗大的行星。在盘内圈生成的行星,因尘埃局域含量较高,所以是一些固态的类地行星。位于盘外圈的行星,由于星云盘的主要成分是气体,故而生成如木星那样的气态行星——类木行星。在一些行星的周围,大的规则卫星之形成很可能是行星形成过程在较小规模上的再现,而那些没能形成行星的星子,经嗣后的演化便形成了小行星、彗星和一些行星的不规则小卫星。

从星云盘到最终形成行星,大约只需要1千万年到几亿年的时间。因此,与太阳和太阳系主要天体的年龄(近50亿年)相比,太阳系成员可认为是在同一时期段内相当快地形成的。从这个意义上说,太阳系主要天体的形成亦可算是一种短时标的灾变式事件——原始太阳星云的物理本质在短时间内发生了根本性的改变。

2 演化中的异常插曲

太阳系天体与宇宙中一切事物一样处于不断运动之中,并主要表现为天体绕自身某个轴的自转,以及绕母天体的公转两种形式。对卫星来说,母天体指的是卫星绕之转动的行星;而对行星、小行星和彗星来说,母天体就是太阳。

在公转方面,无论是行星、彗星或小行星绕太阳的公转,还是卫星绕其母行星的公转,都服从开普勒行星运动三定律。因此,离开太阳(或行星)越远,行星(或卫星)的运动速度就越慢。以行星为例,最接近太阳的水星之公转周期仅为88天,海王星的公转周期则长达165年。

对于行星和行星周围的一些规则卫星来说,它们的运动存在着一些重要的规律性:无论是行星绕太阳的公转,还是卫星绕行星的公转,以及行星和卫星的自转,都表现出一些明显的共性特征,这就是近圆性、共面性和同向性。行星绕太阳、或卫星绕母行星的公转轨道,都是一些偏心率非常小的椭圆,或者说绝大部分公转轨道都很接近圆形,这就是近圆性。行星绕太阳的公转轨道面,以及卫星绕母行星的公转轨道面,与地球公转轨道面(黄道面)的交角大多比较小,称为共面性。行星和卫星的公转及自转大多有着大致相同的方向,从地球北极上方很远处向下看,这个方向是逆时针的,这就是同向性;对于自转来说,同向性又表现为行星和卫星的赤道面与黄道面的交角不大。这些特征说明,太阳系主要天体的运动状态颇为“步调一致”。

不过,除了上述共性运动特征外,也还存在少数例外。明显不符合同向性的是金星的逆向(顺时针)自转和天王星的侧向自转,这2颗行星的赤道面与公转轨道面的交角分别为177°和98°。由于天王星卫星的公转轨道面与天王星的赤道面相重合,因此它们绕天王星的公转轨道面与天王星绕太阳的公转轨道面同样交98°角,这又不符合共面性规律。此外,水星公转轨道的偏心率为0.206,与其他行星的轨道相比是较为扁的椭圆,共圆性较差。

任何有关太阳系起源和演化的学说,都必须对太阳系天体的上述共性运动特征以及少数例外做出合理的解释。

另一方面,太阳系中的小天体,包括小行星、彗星以及柯伊伯天体等,它们的运动状态就不存在近圆性、共面性和同向性这样的共性规律。这些天体的公转轨道可以是一些非常扁的椭圆,甚至是抛物线或者双曲线,公转轨道面可以与黄道面交任意角,因而公转和自转的方向也就无同向性可言。

为说明不符合共性特征的少数例外,特别是金星和天王星的自转状态,人们提出了各种解释机制。一种观点认为,在行星形成后不久,行星际空间还游弋着大量星子,而其中大星子对个别行星的猛力撞击完全有可能使行星运动状态发生剧烈变化,从而破坏原有的共性特征。有人就此作了估算后发现,如果一个直径11 600 km、质量4.5×1021t(约及天王星质量的1/20)的大星子,沿抛物线轨道与天王星发生擦边碰撞(称为掠撞),那么撞击的能量足以撞翻天王星,使其自转轴方向发生很大的变化而成为目前的侧向自转状态,同时撞出的部分碎片生成了天王星环系。大星子的撞击灾变观念同样可以解释金星的逆向自转:如金星的自转方向本来符合同向性,那么一个质量为5.4×1019t(相当于金星质量之1/100)的大星子从相反方向掠撞金星,便足以把金星的自转方向颠倒过来,使它变为目前的逆向自转。

若此类撞击事件确实发生过,那么非常幸运的是在太阳系演化过程中,“肇事”大星子没有撞上地球。不然,地球有可能被撞出现有轨道,而今天五彩缤纷的世界也就不复存在了。当然,上述大星子撞击说仅是一家之言,而造成这种特别重大灾变事件的大星子今天已不存在,它们在太阳系演化过程中,或者与行星并合,或者成了行星的卫星,也可能演变为小行星。但是,规模相对小一些的天体撞击事件,即使在今天的太阳系内仍时有发生。

造成金星和天王星自转方向与其他行星不同的大星子撞击说,引入了某种灾变机制,而这类灾变事件所涉及的能量之大,是导致恐龙灭绝的尤卡坦事件完全不能相比的。比如,若设想中的大星子以5 km/s的速度(略小于天王星的平均公转速度5.4 km/s)掠撞天王星,因撞击把1/100的动能传递给天王星,那么这部分能量约为5.6×1028J,超过尤卡坦事件所释放能量的8万倍!

3 碰撞事件诞生了月球

月球是地球唯一的天然卫星,月球公转轨道(白道)偏心率为0.055,白道面与黄道面的倾角5°09′,月球的自转和公转方向与地球相同,因而月球运动符合近圆性、共面性和同向性规律。作为地球的近邻,月球的起源问题很早就受到人们的关注,并从理论上提出了诸多种学说,其中的大碰撞说涉及到太阳系内的灾变事件。

最早面世的可能是同源说。这种理论认为,地球和月球由同一块行星际尘埃云演化而成,大部分物质形成地球,小部分形成月球。地球形成在先,物质以铁为主要成分,并以铁为核心;月球形成在后,由残留在地球周围、以非金属成分为主的物质聚集而成,月球和地球的平均密度和化学成分有所不同。

瑞典天文学家阿尔文于1942年提出俘获说。它的基本思想是,月球和地球形成于不同的地方,因偶然的机会月球运行到地球附近并为地球所俘获,即成为地球的卫星。有人认为这一事件约发生在35亿年前,而整个过程历时5亿年左右。这种学说能较好说明地球和月球在物质组成上的差异。不过,尽管有些行星的小卫星很可能是俘获来的,但月球质量约为地球的1/81,在太阳系卫星/行星质量比排行榜中高居首位,地球要俘获如此大质量的月球之可能性极小。

分裂说最早由著名生物学家达尔文的次子乔治·达尔文于1880年提出。现代分裂说认为,月球是在地球形成后的1亿年(距今约45亿年前)从原始地球的地幔中分离出去的。当时地球物质尚处于熔融状态,且自转很快。快速自转使原始地球在赤道方向上变扁、拉长,进而成为一端凸出的梨状体。突出部分最终在细颈位置处断开,并从地球分离出去而形成原始月球。嗣后,因潮汐力作用月球逐渐远离地球,经过45亿年的漫长时光,最终到达现在的位置上。分裂说能较好解释月球物质的平均密度和化学组成与地幔相近,而与地球的总体情况迥异。但理论研究表明,当时的地球决不可能分离出月球那么大一块物质。另外,如月球确是从地球上分离出去,其公转轨道应该位于地球赤道面附近,但事实上却是靠近黄道面,而黄道面与赤道面之交角达23°27′,这也对分裂说提出了质疑。

为了克服上述学说所面临的若干难题,两位美国科学家哈特曼和戴维斯于1975年首先提出了关于月球起源的第四种理论——大碰撞说。这种学说引入了月球起源的撞击灾变机制:在太阳系行星形成之初,行星际空间游荡着大大小小的星子,一颗直径为地球1/2～1/3的大星子,在运动中与原始地球猛烈碰撞。由于撞击方向明显偏离地球中心,结果使地球自转轴发生倾斜,同时生成大量碎片。撞出物并未摆脱地球引力的束缚,它们绕着地球运转并互相碰撞、吸积或并合,最终诞生了一个绕地球转的相当大的卫星——月球,这一过程与行星形成相类似。大碰撞说成为解释月球起源的主流假说(图2,见彩插一)。

月球的大碰撞起源说可以较为合理地解释地-月系统的一些重要特征,如地球自转轴对黄道面的倾斜,月球公转轨道面与地球赤道面不重合,月球物质的平均密度明显比地球来得低,地球有一个巨大的铁质地核而月球却没有,等等。有人还通过理论计算进一步说明,发生如此大规模的碰撞灾变是有可能的。因此,大碰撞说得到学术界的广泛支持,被称为是一种“最好的学说”,成为解释月球起源的主流假说。

从月球起源学说的发展史可以看出,人们对太阳系内发生各种形式撞击灾变事件的普遍认可,并进而认识到这类短时标“插曲”在太阳系天体演化过程中可能发挥的重要作用。

4 小行星起源的多种学说

自1801年元旦意大利天文学家皮亚齐发现第一颗小行星谷神星(现已被重新分类为矮行星)以来,迄今发现的小行星已数以十万计。绝大部分小行星的直径小于1 km,且形状很不规则,总体上说它们只是在太阳系空间中游荡的一些小碎块。据估计全部小行星的总质量约为2.1×1018t,不到月球质量的1/30。大部分小行星在火星和木星轨道之间运动,形成小行星带,轨道大多是一些不太扁的椭圆。少数小行星的轨道位于木星轨道之外,也有一些小行星在最靠近太阳时会伸入地球、甚至深入到金星或水星轨道之内。任何关于小行星起源的理论必须对上述主要观测事实做出解释(图3,见彩插一)。

2号小行星智神星的发现人、德国业余天文学家奥伯斯可算是最早探究的小行星起源问题的学者。3号小行星婚神星发现后,人们发现其轨道与谷神星和智神星轨道很接近,奥伯斯更进一步注意到这3颗小行星的轨道都交会于室女座,于是他认为这些小行星应该源自一颗大的行星,后者在过去的一次灾变事件中爆炸碎裂,残留的碎片便成了形状不规则的小行星。随着小行星不断发现,上述看法发展成了比较完整的“爆炸说”:在太阳系演化早期的火星和木星轨道之间某个地方,原来存在一颗如火星或更大的行星,后来由于某种原因发生了爆炸,残留下来的大小碎片便成了现在观测到的众多小行星。

到20世纪后期小行星起源的爆炸说已经被人们所抛弃,其致命弱点是对爆炸起因无法给以合理的解释,根本就找不到任何能令人信服的爆炸机制。此外,按照爆炸说所有小行星的轨道应相交于爆炸发生地,而事实上许多小行星的轨道相差很大,用爆炸说来解释极为勉强。另一个问题涉及到小行星的质量:估计所有小行星的总质量不及地球质量的1/800,这应当就是生成它们的前身行星的质量,而这个数字实在是太小了——如把所有小行星物质都捏在一起合成一个球形天体,该天体的直径也不大可能超过1 000 km!

美籍荷兰天文学家柯伊伯曾提出,在太阳系演化过程中,火星和木星轨道之间没能形成单一的一颗大的行星,而是生成5～10个比较小的小天体——原行星;它们在长期演化过程中不断互相碰撞、碎裂,最后便形成今天所看到的小行星。显然,这是对奥柏斯观念的一种修正,以多次碰撞的小规模灾变取代一次性爆炸的大规模灾变,从而避开了爆炸机制难点。然而,柯伊伯并没有解释那些原行星是怎样来的,他只是说明了小行星的演化,没有解决它们的起源问题。

20世纪70年代,瑞典科学家阿尔文等人提出了“半成品说”,以图解释小行星的起源。这种学说认为,在太阳系形成初期,位于火星和木星轨道之间的太阳系原初物质由于某种原因未能凝聚成大的行星,而只是形成了众多的小行星,并一直保留到今天。1979年,中国天文学家戴文赛通过定量计算,把“半成品说”论点大大地推进了一步,其中特别是较好地说明了未能凝聚成大的行星之物理原因。显然,“半成品说”没有引用任何灾变机制。

鉴于小行星观测特征的多样性,上述学说都难以说明全部小行星的物理特性,不同小行星也许有着不同的起源。彗星演化说便是有关小行星起源的另一类学说。远离太阳时彗星只有彗核,与小行星无本质上的差别,所以有人认为这两类天体可能代表了某种演化序列。彗星接近太阳时会形成彗发和彗尾,同时损失一部分质量。彗星多次回归太阳后,表面的挥发性物质消耗殆尽,剩下的彗核也就成了一颗小行星。

5 行星环的灾变成因

太阳系天体形态各异,即使在行星附近,围绕行星转动的就有卫星和行星环两种完全不同的天体形态。那么,卫星和行星环之间是否存在演化上的关联呢?

自1659年荷兰科学家惠更斯证实土星光环的存在以来,人们一直以为在太阳系内唯独土星才有环,土星环成了太阳系天体中的稀罕品(图4,见彩插一)。经300多年后,在1977,1979和1989年相继发现了天王星环、木星环和海王星环后,土星环独尊的观念才得以彻底改变,并引起天文学家们的极大兴趣。关于行星环的本质,早在1856年英国物理学家麦克斯韦已从理论上证明,土星环必然是由围绕土星旋转的无数“迷你卫星”组成的物质系统,而不可能是整块固态物质盘。40年后的观测发现,土星环不同部分的转动速度随到土星中心距离的增大而减小,与刚体转动的情况相反,从而证实了麦克斯韦的观点。

为了解释行星环的形成,人们提出了若干种理论,如潮汐理论、凝聚理论、碰撞理论等,其中潮汐理论和碰撞理论涉及到卫星级天体的灾变事件。

卫星到行星的距离不能近于某个限值,否则卫星会被行星的巨大引力所瓦解而不复存在,这个最小距离称为洛希极限,由法国天文学家洛希首先提出。洛希极限的具体数值与卫星绕以转动的母行星的半径和密度以及卫星的密度有关。行星环形成的潮汐理论认为,在洛希极限之外形成的卫星,因公转轨道缩小走近行星而到达洛希极限时,会被行星的潮汐力瓦解,这一灾变事件的结果便形成了行星环。

另一种行星环形成理论是凝聚说:组成行星环的物质是在现有位置附近,通过微粒互相间的凝聚而形成的。一开始这是一种非引力过程,当微粒增大到一定大小后引力开始起主导作用,粒子继续长大。鉴于粒子处于洛希极限之内,因行星潮汐力的作用,众多粒子不可能进一步“长大”成为卫星,它们保持了原有的盘状结构而成为行星环。根据这种理论,行星环的形成与卫星没有直接的关系,也没有涉及灾变事件。

碰撞说的基本思想是,早期在行星环现在所处的位置上曾经有过一个或几个很小的卫星。它们的引力太小,一旦遭到流星体的撞击,撞击产生的碎片就能从小卫星的表面逃逸,其中一部分未被产生碎片的母体小卫星重新俘获,但却没能摆脱母行星的引力束缚,而大量的这类碎片最终便构成了绕行星转动的环。

4个类木行星的周围都有行星环,这些环在结构、范围、完整性等方面的特征又不尽相同,说明不同行星的环很可能有不同的形成机制。戴文赛认为土星环是因规则卫星的轨道缩小,并进入洛希极限后瓦解形成的;但天王星环则是因为大星子撞击天王星,从天王星撞出的大量碎粒物质生成的。这两类过程都涉及到太阳系

天体的灾变事件。

(2009年11月26日收到)

(责任编辑:温文)

Major Catastrophes on the Scales of Celestial Objects:Episodes in the Evolutionary Course of the Solar System

ZHAO Jun-liang
Professor,Shanghai Astronanical Observatory,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200030,China

Up to now,there have been some 5 billion years for the whole evolutionary history of the solar system,in which catastrophic events happened on relatively short time-scales and possibly played a decisive role in formation and evolution of some celestial objects,such as planets,our Moon and other satellites,asteroids and planetary rings.

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