星系的形成与演进和宇宙的膨胀现象及暗物质与暗能量

钟萃相

【摘 要】笔者通过研究月球和地球的起源，发现了卫星和行星的形成和变轨机制，从而可以揭示太阳系及其他宇宙星系的形成和演进规律，并能科学地解释为什么环绕太阳的八大行星都是顺行的，为什么八大行星的轨道几乎处于同一个平面，为什么八大行星多数自西向东旋转。还能揭示每个星系的结构是树形层次结构，宇宙的膨胀是一种假象。带动星系运动的暗能量就是星系结构中存在的多层次万有引力。

【关键词】星系；形成；演进；星系结构；宇宙膨胀；暗物质；暗能量

The Formation and Evolution of Galaxies and the Expansion of the Universe as well as Dark Matter and Dark Energy

ZHONG Cui-xiang

（Jiangxi Normal University， Nanchang Jiangxi 330022， China）

【Abstract】Through a study on the origin of the Moon and the Earth， the author of this paper has discovered some formation mechanisms and orbit-variation mechanisms of natural satellites and planets， therefore could reveal the formation and evolution of the Solar System and other galaxies in the universe. Especially， the author could also explain why the eight planets around the Sun are prograde planets， why the orbits of the eight planets almost lie in the same plane， and why most planets rotate around their own axes from west to east. Additionally， the author could also explain the structure of cosmic galaxies and the expansion of the universe as well as dark matter and dark energy.

【Key words】Galaxy； Formation； Evolution； Galaxy structure； Universe expanasion； Dark matter； Dark energy

0 引言

关于星系的形成和演化至今众说纷纭、莫衷一是[1-2]。比较有影响的假说大致可以分为两类：一类是上下理论，另一类是下上理论。其中上下理论是指：星系是在一次宇宙大爆炸中形成，发生在147亿年前。显然该理论并未给出宇宙爆炸的充足理由和合理结果，令人难以置信。而下上理论则是指：星系是由宇宙中旳微尘所形成；原本宇宙有大量的球状星团（globular cluster），后来这些星体相互碰撞而毁灭，剩下微尘；这些微尘经过组合再形成星系。事实上，这个理论也不完善，缺乏科学依据，有许多无法解释的事实。为此，作者通过研究月球和地球的起源，发现了卫星、行星和恒星的形成和演进机制，从而可以揭示太阳系及其他宇宙星系的形成和演进规律，科学地解释星系结构和宇宙膨胀。

1 月球的形成和演进

1.1 原有假说的脆弱性

对于月球的形成，人们提出了多种假说[3]。一种假说是分裂说，即有人认为在太阳系形成初期，地球和月球原是一个整体，那时地球还处于熔融状态，由于地球自转非常快，因此月球通过离心力从地壳中分裂出来了，但这要求地球的初始旋转速度太快以至难以令人置信。事实上，作者近来的研究表明在地球形成之初，地球绕太阳的轨道很近，地球应该像水星和金星那样自转速度很慢，因此这种假说明显有错。另一种假说是俘获说[4]，即有人认为月球是地球通过地心引力俘获的现成天体，但这要求一个实际上不可行的扩展的地球大气层来散发穿过大气层的月球的能量。还有一种假说是同源说，即有人认为地球和月球是在同一个原始吸积盘里形成的，但这无法解释月球中金属铁的剥夺。而且这些假说还不能解释地-月系统所要求的高标准角动量。

当今占上风的假说是碰撞说[5]，即有人认为地-月系统是一次大碰撞的结果：一个火星大小的天体撞上刚刚形成的原始地球，爆炸的物质进入环绕地球的轨道，然后积聚形成月球。然而，陨石分析表明火星和灶神星这些太阳系内的天体具有与地球大不相同的氧和钨同位素组成，而地球和月球具有几乎相同的同位素组成。发表在2012年的对Apollo月球样本所作的钛同位素分析也表明月球和地球具有相同的组成[6]，这与月球形成的碰撞说相矛盾。另外，若真的发生了这样的碰撞，则碰撞过程中所释放的巨大能量以及随后在地球轨道中发生的物质重聚将融化整个地球外壳，形成岩浆海洋。新形成的月球上也有它自己的岩浆海洋，估计海洋深度从500km到整个月球半径之长。然而事实并非如此，可见碰撞说也不成立。

既然月球既不是被地球俘获的一个现成天体，也不是地球与别的天体碰撞的产物，因此月球只能是地球自身的产物。但是，地球也不具有足够的转速来把与地球紧密相连的月球部分随意抛出去，因此，月球应该像人造卫星那样，构成月球的物质应该在特殊力的作用下从地球射入空中，进入绕地球旋转的某些轨道，然后逐渐地凝聚巨大的卫星。

1.2 月球起源新解说

许多科学研究表明，大约在45亿年以前，在地球成为行星之初，地球便开始出现了频繁的火山喷发。在一些猛烈的火山喷发过程中，有些诸如火山灰、火山弹和浮石之类的碎屑在巨大的岩浆喷射力的推动下可获得第一宇宙速度以上的飞行速度，从而进入绕地球运行的轨道，形成一层一层的环球“星云”。在这些进入绕地轨道的碎屑中有一块体积较大的碎片就是后来形成月球的雏形。另外，当火山喷射的方向与地球自转的方向一致时，射出的岩石碎片容易获得第一宇宙速度（7.9km/s）以上的飞行速度，所以在环绕地球的同一轨道中顺行碎片比逆行碎片多。因此，顺行星子可以吸收合并更多的顺行碎屑，碰撞更少的逆行碎屑，因而更容易成长为月球。这就是为什么月球是顺行卫星的原因。

月球雏形最初进入的绕地轨道距离地球较近，地球周围有大量的火山喷射物质，如火山灰、水蒸气、SO2形成的气溶胶等，形成环绕地球的“星云”。此外，月球轨道附近还有许多其他星际物质。后来月球雏形不断地吸收轨道附近的这些物质而变得越来越大，并渐渐地远离地球，成为今天庞大的月球。关于这一点，可证明如下[3]：当月球绕地球正常运转时，地球对月球的万有引力与月球的离心力大小相等、方向相反，假设地球的质量为M，月球的质量为m1，月球的半径为rm，月球绕地球运转的轨道半径为r，转速为v，则：

■=■→v=■

靠近月球的轨道，还有一些较小的由地球抛射物形成的星子在环地飞行，如图1所示。假设这些星子的轨道半径为rx，则这里所考虑的星子的轨道半径满足：r-rm

假设星子的运行速度为vx，则：

v■=■>■→vx>v

因此这些较小的顺行星子最终将赶上月球。特别地，当一个较小的顺行星子接近月球时，月球的引力又加速该星子的运动，使星子的速度大于vx。假设该星子的质量为m2， 当它撞上月球时的速度为vy，则月球与该星子合并时的离心力是：

m■·■+m■·■>（m■+m■）·■=G（m■+m■）·■

即月球绕地球旋转的离心力大于地球对月球的引力，因而月球重心有远离地球的趋势。特别地，如果撞击月球的星子足够大，它还可能猛烈地撞击月球，使月球的顺行速度增至更大的值v2，这时：

（m■+m■）·■>（m■+m■）·■=G（m■+m■）·■

月球重心就远离地球一段距离。总之，随着月球质量的递增，月球重心也在远离地球。

此外，月球远离地球的另一个原因是地球自转速度的加快。这是因为地球起源于后来形成太阳的行星的卫星。起初，地球的质量较小，其上没有浓密的大气层，而且靠近母行星，所以它几乎被其母行星同步锁定，无法绕其自身轴旋转。后来，它不断地吸积轨道附近的“星云”物质而变得越来越大，并且渐渐地远离母星，正如月球远离地球那样。随着地球质量的增加，它可以从宇宙空间中吸收越来越多的水气及其他气体分子来形成自己的大气层，甚至形成一个大水圈。当它的母星变成发光发热的恒星时，由于它绕其母星按反时针方向旋转，该行星上靠近母星的那一面受到来自母星阳光的照射，使该面的温度高于背面的温度，从而使该面蒸发起更多的水气及其他气体分子，这些气体分子被高速流动且层层叠加的平流层包裹在对流层中，逃不出去，所以两个半球的大气体积相当。由于地球上朝阳和背阳两个半球的大气参数近似地满足理想气态方程，即pV≈nRT，其中p是指气体的压强，V为气体的体积，n表示气体物质的量，T表示气体的热力学温度，而R表示理想气体常数。因此，根据计算可知，朝阳半球的大气压强通常大于背阳半球的大气压强。又因为两个半球的面积相当，所以朝阳半球所受的大气压力通常大于背阳半球所受的大气压力，因而朝阳半球与大气层的摩擦力通常大于背阳半球与大气层的摩擦力，这就会使地球在绕母星旋转的过程中从西向东自转。另外，由于地球正常运转时太阳对地球的万有引力等于地球做匀速圆周运动所需的向心力，因此当地球朝阳面所受的大气压力大于背阳面所受的大气压力时，就会使地球沿螺旋线渐渐地远离太阳。随着地球渐渐地远离太阳，太阳对地球的万有引力在渐渐地减小，但随着地球大气层和水圈的增长，地球朝阳面与大气层的的摩擦力与背阳面与大气层的的摩擦力之差只增不减，这就会使地球的自转速度将逐渐加快。美国国家标准技术研究所在1999年的观察结果也表明地球的自转正在逐渐加速。由于地球的潮汐活动、内部流体活动、火山活动、地震活动等，地轴经常偏离空间里的南北轴线，每天围绕南北轴线旋转一次，在地球的自转过程中地球质心的轨迹形成环绕南北轴线的一个圆圈。例如，2011年3月日本东北部海岸发生的9.0级大地震，使地轴偏移了25厘米，并使地球自转速度加快[7-8]。因此，当地球自转加速时，在地球万有引力的拖曳下，月球绕地球的公转速度也会加快，从而使月球绕地球公转的离心力增大，最终使月球远离地球。这就是为什么人们观察到月球正在渐渐地远离地球的原因。

由于同样的原因，一批又一批地球火山喷射物或星子被驱离地球并传送至月球，使月球在40亿年中成为一个覆盖火山灰的大卫星。

月球形成之初是一个冷却的均质球体，但随着月球质量和体积的不断增加，月球内部的热能不断积聚，包括月球高速旋转（速度接近7.9km/s）引起的气流摩擦产生的热能，月球自身引力收缩过程产生的热能，原始月球内部化学反应而产生的热能。正是由于月球原始热能积聚到一定程度，才使原始月球物质发生了熔融分异，形成了月球的不同圈层：月核，月幔核月壳。

1.3 新解说的优点

根据上面的讨论可知，正是在地球发生巨大火山喷发时月雏被射入绕地球运转的轨道，然后不断地凝聚轨道附近的星云物质而变得越来越大，并在星子撞击或火山驱动下渐渐地远离地球，演变成今天的月球。可见月球是由地球生成的，因此，这个月球起源新解说可被称为“代生理论（generation theory）”。这个新解说具有许多的优点，能够很好地回答现有解说所不能回答的许多问题。

（1）对于 “为何地球和月球具有几乎相同的同位素组成”的问题，回答是由于月球上的物质多数是从地球上喷发出来的，少数来自星际物质，因此地球和月球具有几乎相同的同位素组成。

（2）对于 “月球上为何缺少挥发分”的问题，回答是由于地球喷出火山岩和火山灰时挥发分散失殆尽，因此由地球喷出的火山岩和火山灰凝聚而成的月球上缺少挥发分。

（3）对于 “月球上为何缺少铁元素”的问题，回答是在地球的形成过程中，地球经过熔融分异形成了地核、地幔和地壳三层，比重较大的铁元素已沉入地核，较轻的元素浮在上层。月球上的物质多数是从地球火山口喷射出来的，这些物质多数来自地幔或地壳，因此月球上缺少如铁那样的重元素 另外，月球也经过熔融和分异，铁元素熔融物质下沉到月球中心，形成由铁、镍等元素组成的月核，因此从月球表面所采的月样往往缺少铁元素。

（4）对于“为何月球的密度（3.3g/cc）比地球的密度（5.5g/cc）要小”的问题，回答是月球主要是由地球火山喷射出来的火山灰、浮石等物质凝聚而成的，这些物质的密度较小，导致月球的平均密度也较小。另外，地心引力远大于月心引力，致使地球的密度大于月球的密度。还有， 地球形成初期，靠近太阳，绕太阳高速旋转，致使地球内部温度剧烈升高，使地球达到高度的熔融状态，而月球绕地球旋转，其旋转速度比地球绕太阳旋转速度慢得多，因此月球内部积聚的温度比地球熔融状态时的温度低得多，因此月球内部未达到地球曾有过的熔融状态，因此月球的密度要低于地球的密度。

（5）对于“为何有的行星有卫星而有的行星没有卫星”的问题，回答是水星和金星表面温度较高，其上没有水或冰，很少产生火山喷发，故没有形成卫星；而地球、火星、木星、土星、天王星、海王星上面存在大量的水或冰，产生过无数次火山喷发，因而形成了各自的卫星。

（6）对于“先前的月球起源解说无法解释地月系统高角动量”的问题，回答是随着地球大气层的增长，地球自转的速度在逐渐加快，并且在地心引力的拖曳下，月球绕地球的公转速度也会增加，从而使月球渐渐地远离地球。所以地月系统的角动量在不均衡地变化着。

（7）在45亿年前地球上就出现了火山喷发，从那时起地球火山喷发就一直没有停止过，所以由火山云凝聚成月球的概率远远大于由星球碰撞所生云团凝聚成月球的概率大得多。可见本解说比碰撞说更加自然，更具说服力。

2 太阳的形成和演进

由于太阳绕银河系中心旋转，因此可以推断它原来是由银河系中心某个母星产生的一个卫星，正如月球是由地球产生的那样。

当该卫星成长为地球大小的行星时，它便能从宇宙空间中吸收大量的水气来形成自己的大气层，甚至形成大的冰体或水体。当它的母星变成发光发热的恒星时，由于它绕其母星按反时针方向旋转，该行星上靠近母星的那一面受到来自母星阳光的照射，使该面的温度高于背面的温度，从而使该面蒸发起更多的水气和其他的气体分子， 该面所受的大气压力大于背面所受的大气压力，因而该面与大气层的摩擦力通常大于背面与大气层的摩擦力，这就会使行星在绕母星旋转的过程中从西向东自转，而且随着行星大气层和水圈的增长，行星会转得越来越快。这也是一般行星从西向东自转的原因。

由于行星自转离心力的作用使行星成长为赤道隆起、两极稍扁的球体。行星赤道半径大于两极及其他位置的半径，而万有引力和距离的平方成反比，所以越靠近赤道物体受到的万有引力越小，所以在赤道附近射出的物质容易获得足够的速度，进入绕行星旋转的轨道。另外，如果行星上有水，则在万有引力的作用下，会使得两极及其他地区的水流向赤道区域，也会使赤道隆起、两极扁平。因此，赤道附近比其他地区受到水的侵蚀更早和更严重，这就使得赤道附近更容易发生火山喷发，而且喷发得更早、更频繁和更猛烈。在一些猛烈的火山喷发过程中，一些火山灰和碎屑可以获得足够的速度，进入绕行星旋转的轨道。特别是，当火山的喷射方向与行星的自转方向一致时，喷出的物质容易获得足够的速度，进入绕行星旋转的轨道；当火山的喷射方向与行星的自转方向相反时，喷出的物质难以获得足够的速度来进入绕行星旋转的轨道。所以，在环绕行星的同一轨道中顺行物质多于逆行物质。因此，顺行星子可以积聚更多的顺行物质，碰撞更少的逆行物质，因而容易形成卫星。当该行星长大成恒星时，它的一些卫星就成长为行星。这就是为什么环绕太阳的八大行星都是顺行的行星。另外，由于赤道附近喷出的物质容易获得足够的速度，进入绕行星旋转的轨道，然后凝聚成卫星。这就是为什么八大行星的轨道几乎位于同一个平面，而且该平面与赤道面的夹角很小。

太阳的成长经历了多个阶段。开始太阳是一个体积和质量都很小的卫星。后来该卫星不断地吸积轨道附近的“星云”物质而变得越来越大，并在星子撞击或自转逐渐加速的母星的万有引力的拖曳下渐渐地远离银河中心，演进成地球大小的行星。后来它又遇到了一些通过变轨从后面追赶上来的行星的撞击，使它成长为比木星更大的气体巨星，而且更加远离银河中心。当太阳变成接近现在大小的原恒星时，该原恒星内部氢的压力和密度大得足以启动热核反应。当该原恒星上发生猛烈火山喷发或与轨道附近的天体发生碰撞时，便启动了其上的热核反应。仅当太阳大得足以吸收轨道附近的气体和尘埃来维持其热核反应时，它才能成为主序星，即一个永恒地发光和发热的星球。

由于太阳的质量约占太阳系全部质量的99.86%，因此在它环绕银河中心运行的过程中，它能够从轨道附近空间中吸收足够的气体和尘埃来维持其热核反应，因而它成为了一个不断地地发光和发热的恒星。事实上，在太阳的热核反应过程中，氢聚变成氦，氦又聚变成碳、氧和其他重元素。在不完全燃烧过程中，碳未被完全氧化，便生成一氧化碳。氧的燃烧又产生水蒸气。当这些气体逃逸到太空之后便形成环绕某些星球上的云团。当云团碰撞产生雷电时，一氧化碳与水在高温下发生反应，产生二氧化碳和氢气（CO + H2O→CO2+H2）。同时，水的电离也能产生氧气和氢气。因此，太空能源源不断地为太阳的热核反应提供氢气。于是，太阳成为了一个永恒地发光和发热的星球，除非太阳被某个巨星撞破使其质量小得不能吸收足够的气体和尘埃来维持其热核反应。

3 行星的形成与演进

正如前面所述，太阳系的八大行星起源于后来形成太阳的行星的卫星。在八大行星的成长过程中，它们不断地吸积轨道附近的“星云”物质而变得越来越大，并在星子撞击或自转逐渐加速的母星的万有引力的拖曳或阳光的照射下渐渐地远离母星。

3.1 水星的形成与演进

水星是在太阳还处于未发光的原恒星状态时形成的卫星。水星的早期轨道比现在的轨道离太阳近得多，因此它以比现在快得多的速度绕原恒星旋转。水星的高速旋转使得其内部积聚了大量的热量，从而使其内部物质发生了熔融和分异，形成了包括壳、幔、核在内的不同层次。由于水星受到水的侵蚀较小，因此它具有较高的金属含量。

在星子的撞击或自转逐渐加速的原恒星的万有引力的拖曳下水星曾渐渐地远离母星。当水星被驱离原恒星到当前轨道附近时，原恒星就变成了主序星。来自太阳的巨大热量使得水星上的水气全部被蒸发掉了，留下干燥的水星。因此，它无法产生猛烈的火山喷发来形成自己的卫星。

由于水星的大气层非常稀薄，水星朝阳面和背阳面的温度差对于水星的大气密度几乎没有什么影响，水星朝阳面和背阳面的大气压力差也几乎等于零，因此水星不能像地球那样在阳光的照射下远离太阳。由于水星离太阳很近，水星被太阳引力紧紧锁定，几乎无法自转， 水星自转和公转的周期相同。

3.2 金星的形成与演进

金星是离太阳第二近的行星，但它是太阳系中最热的行星，因为其大气层中含有很厚的温室气体，能够捕获和保留大量的太阳热能。因为如此灼烧的热量会使金星表面上的任何东西蒸发了，所以金星表面非常干燥。但太空飞船在火星上发现了许多过去火山活动的证据。所以，正如水星那样，金星也是在太阳还处于原恒星状态时形成的卫星。由于不时地有小行星撞击，曾使金星渐渐地远离原恒星。另外，金星也曾在自转逐渐加速的原恒星的万有引力的拖曳下慢慢地地远离母星。但在原恒星变成了主序星后，来自太阳的巨大热量使得金星表面上的水气全部被蒸发掉了，留下干燥的金星。所以，它没有足够的水气，无法产生猛烈的火山喷发来形成自己的卫星。

另外，金星的自转是个例外。由于温室效应，金星表面温度非常高，其上的水蒸气早已被蒸发殆尽，这使得太阳的照射无法影响金星大气的密度，即金星上靠近太阳那一面的大气密度与另一面的大气密度几乎相等，因此两面的大气压强（压力）几乎相等，两面与大气层的摩擦力之差几乎等于零，所以在金星绕太阳的运转过程中不会因当阳面与大气层的摩擦力大于背面与大气层的摩擦力而自西向东自转。相反，由于太阳的照射会造成两面上层大气的温度差，金星上当阳面的上层大气密度略低于背面上层大气的密度，金星上当阳面的上层大气与浓硫酸云层以下的下层大气之间的摩擦力略低于背面两个大气层之间的摩擦力，这就造成金星自东向西自转。航天探测器探测到金星上接近地表的大气时速较为缓慢，只有每小时数公里，但上层大气的时速却可达数百公里，正好佐证了上述论断。

3.3 地球的形成与演进及全球气候变化

正如水星和金星，地球也是在太阳还处于原恒星状态时形成的卫星，但它比水星和金星形成得更早。在地球形成的过程中，地球一边绕着原恒星旋转，一边吸附着轨道上的微尘和气体，使地球质量逐渐增大，大气层逐渐增厚。随着地球质量和体积的不断增加，地球内部的热能不断积聚，包括地球高速公转引起的气流摩擦产生的热能，地球自身引力收缩过程产生的热能，原始地球内部化学反应产生的热能。正是由于地球原始热能积聚到一定程度，才使原始地球物质发生了熔融分异，形成了地球的不同圈层：地核、地幔和地壳。

在地球绕原恒星旋转过程中，不时地遇到星子的撞击，使地球渐渐地远离原恒星。另外，在自转逐渐加速的原恒星的万有引力的拖曳下地球也不断地远离母星。当原恒星变成了主序星，地球也成长为具有一个很大的大气层和水圈的巨星。在地球绕母恒星旋转过程中，地球上靠近母星的那一面受到来自母星阳光的照射，使该面的温度高于背面的温度，从而使该面蒸发起更多的水气及其他气体分子，这些气体分子被高速流动且层层叠加的平流层包裹在对流层中，逃不出去，所以两个半球的大气体积相当。由于地球上朝阳和背阳两个半球的大气参数近似地满足理想气态方程，即pV≈nRT，其中p是指气体的压强，V为气体的体积，n表示气体物质的量，T表示气体的热力学温度，而R表示理想气体常数。因此，根据计算可知，朝阳半球的大气压强通常大于背阳半球的大气压强。又因为两个半球的面积相当，所以朝阳半球所受的大气压力通常大于背阳半球所受的大气压力，因而朝阳半球与大气层的摩擦力通常大于背阳半球与大气层的摩擦力，这就会使地球在绕母星旋转的过程中从西向东自转。另外，由于地球正常运转时太阳对地球的万有引力等于地球做匀速圆周运动所需的向心力，因此当地球朝阳面所受的大气压力大于背阳面所受的大气压力时，就会使地球沿螺旋线渐渐地远离太阳。

3.4 火星的形成与演进

正如地球，火星也是在太阳还处于原恒星状态时形成的卫星，但它比水星、金星和地球形成得更早。火星也经历了如地球那样的形成和演进过程，形成了包括壳、幔、核在内的不同层次。正是在星子撞击或自转逐渐加速的母星的万有引力的拖曳或阳光的照射下渐渐地远离母星。由于火星的质量比地球小得多，因此火星从空间中吸收的水气和其他气体分子也比地球少得多，这使得火星还是一个沙漠星球。

由于火星像地球那样，具有一定厚度的大气层和冰水圈，因此在阳光的照射下，火星能够从西向东自转，而且渐渐地远离太阳。

3.5 木星、土星、天王星和海王星的形成与演进

正如火星那样，木星、土星、天王星和海王星也是在太阳还处于原恒星状态时形成的卫星，但它比水星、金星、地球和火星形成得更早。它们也经历了如火星那样的形成和演进过程，形成了不同的层次。正是在星子撞击或自转逐渐加速的母星的万有引力的拖曳下渐渐地远离原恒星，而且比火星离得更远。

当木星被驱动到当前轨道附近时，它就变成了一个质量比太阳系内其他行星都大的行星，所以其轨道变化比行星慢得多。当一个内部轨道的较轻行星赶上木星时，就会发生猛烈的碰撞。这种碰撞会使较轻行星的部分碎片因公转速度降低而缩回到更小的内部轨道，成为小行星带中的星子，而较轻行星的大部分碎片会被木星吸收，增加木星的质量和公转轨道速度，从而使木星的轨道扩大。木星可能吸收了多个行星而成为一个巨大的行星。另外，木星是一个液态星球，具有很厚和很密的大气层，阳光对木星的大气层具有很大的影响。因此，木星不仅自西向东自转而且转得比较快，还渐渐地远离太阳。

由于土星赤道区域具有较大的半径，因此具有较小的重力加速度和物质密度，因而在赤道区域容易发生火山喷发，喷出的物质容易获得足够的宇宙速度进入环绕土星的轨道，形成环绕赤道的光环。这种光环多由冰颗粒、岩石碎屑和尘土组成。由于阳光对土星大气层的影响，土星也是自西向东自转，而且渐渐地远离太阳。

由于天王星表面的温度从49k（-224.15℃）到 57k（-216.15℃），太阳无法从天王星的冰面上蒸发起水气来，因此阳光无法影响天王星对流层的大气密度。于是，天王星不像地球、火星和木星那样受到阳光照射的影响，它不是自西向东自转。相反，阳光只能使朝阳面的同温层和增温层的大气密度变低，因而使天王星自东向西自转。另外，由于天王星在当前轨道的公转速度较慢，天王星与前面提到的其他行星相比较，其通过火山喷发产生逆行星子的难度较小，因此可以喷出较多的逆行星子，这就是为什么天王星除了具有一些顺行卫星之外，还具有几颗逆行卫星的原因。

由于海王星在当前轨道的公转速度最慢，因此海王星通过火山喷发产生逆行星子的难度更小，这就是为什么海王星也具有一颗逆行卫星。

由于这些类木行星比火星喷出了更多的壳幔层物质来形成自己的卫星，因此它们只剩下一个较小的岩石或金属核。但由于它们的总质量比火星要大得多，因此它们吸收了更多的气体来形成气体巨星。

3.6 小行星带的形成与演进

在星子撞击或自转逐渐加速的原恒星的万有引力的拖曳下一批又一批原恒星的火山喷射物或星子被驱离原恒星，渐渐地传送到火星和木星之间的空间中，形成了小行星带。另外，在小行星带[12]形成之前，可能有些像火星大小的行星运行在火星和木星之间的轨道上。在它们的变轨过程中，有些行星的轨道与别的行星的轨道相交，导致巨大的碰撞。碰撞产生的部分碎屑因公转轨道速度降低而进入到木星与火星之间的轨道上。这些碎屑慢慢地凝聚成一些小行星，便形成了小行星带。

3.7 彗星的形成与演进

彗星是小行星带外行星碰撞的结果，属于太阳系内的小天体。当一个彗星从后面撞上前面的一个带外行星时，该彗星的一部分因轨道速度大减而进入到近日点距离大大缩小的内部轨道，甚至进入到太阳系内部。该彗星残余部分与太阳的接近使其冰表面融化和电离，形成慧发：由气体和灰尘形成一条长长的尾巴，是人的肉眼可见的。当一个彗星经过地球傍边时，由于地球巨大的质量，能从彗星上吸收许多水气，这就是所谓的彗尾扫过地球。

4 宇宙星系的结构和宇宙的膨胀

4.1 问题的提出

1929年美国天文学家哈勃首次通过太空望远镜发现星体间距离不断变大的现象并提出了宇宙膨胀理论。其中不可思议的是他发现星系退离我们的速度随着距离的增加而增加，距离地球100万光年的星系仅以每秒约20公里的速度退离地球，而距离地球250万光年的星系以每秒50公里的速度飞离地球。哈勃的发现直接导致了“宇宙大爆炸理论”的诞生，该理论认为宇宙曾经是一个致密炽热的奇点，137亿年以前发生了一次宇宙大爆炸，从此宇宙就在不断地膨胀和冷却。显然该理论并未给出宇宙爆炸的充足理由和合理结果。从此天文学界就认为宇宙以一种恒定的速度膨胀，直到1998年Saul Permutter， Brian P. Schmit 和 Adam G. Riees 通过对几十个遥远超新星的观察发现宇宙正以加速度膨胀，他们于是获得了2011年的物理学诺贝尔奖[13]。但人们仍然无法完全解释宇宙加速膨胀的原因。

4.2 宇宙星系结构

如果用作者提出的的星系形成理论来解释宇宙膨胀这一现象，则可以很容易地解释宇宙膨胀的真正原因[14]。

根据前面所描述的太阳系的形成规律可知，一个原恒星能够产生多个绕其旋转的行星，而有些行星又能产生一些绕其运行的卫星；一个恒星可能有其母星；当一个卫星成长为行星时，它又能产生下一代卫星。因此，我们可以断言，一个星系的基本结构是由多代星球构成的层次结构，如一个树形结构。整个宇宙包含许多这样的星系，犹如一个无边的森林。

由于宇宙中的任何星系都是由多代星球组成的树形层次结构，其中任何一代非根星球都是作为母星的卫星生成的，这些卫星不断地吸积轨道附近的星云物质而变得越来越大，并在星子的撞击或自转逐渐加速的母星的万有引力的拖曳下渐渐地远离母星，特别地当母星和卫星分别变成了恒星和行星之后，行星又会在母恒星的阳光照射下渐渐地远离母恒星而且还可能产生新的卫星。随着来自母恒星阳光的减少，行星及其卫星会变得越来越冷。银河系就是由多代星球组成的复杂层次结构，而太阳系只是其中的一个分支，如图2所示。天文观测也表明银河系具有巨大的盘面结构，有一个银心和至少两条旋臂，旋臂相距0.45万光年。太阳就位于银河系的一个支臂-猎户臂上，至银河中心的距离大约是2.6万光年。天文学家玛丽亚·格曼通过对银河系恒星集群盘面的研究表明，银河系内围的恒星集群年龄较大，而外围的恒星则更加年轻，可以推测银河系的形成从内部开始，后来逐渐演化到10万光年以上的直径。银河系在成长过程中还吞并了许多小星系，来自其他星系的天体汇入了银河系的内部。所以太阳是经过多代星球的衍生形成的恒星，地球则是太阳的子行星，月亮是太阳系最末代的星球。

类似地，哈勃所观察到的银河系之外的星系也是多层次结构，呈长长的旋臂，如图2所示。

另外，对于同一层次结构来说，星球所处的层次越大，它绕星系中心旋转的半径也越大，在相同的时间内划过的弧线也越长，所以其线速度越大。对于不同的层次结构来说，层次越多的结构，其底层星球绕星系中心旋转的半径一般也越大，在相同的时间内划过的弧线也越长，所以这种结构的底层星球的线速度越大。

4.3 宇宙膨胀的原因

天文学家发现了一个迄今为止最大的超星系团—Laniakea超星系团，其中包括了我们的银河系、本星系群其他星系和邻近室女座星系团在内的数千个成员星系，如图2所示。其中绿色区域拥挤著以白点标示的星系，白线呈现它们如何绕超星系团的中心运动，橘线标出Laniakea的外缘，而蓝点就是我们地球所在的位置。由此可见，银河系和本星系群其他星系具有共同的星球祖先。

图2 包括银河系在内的Laniakea超星系团

假设地球在银河系层次结构中处于第n层，则地球上的天文学家要避开银河系的屏蔽来观察一个河外星系，且该河外星系的层次数应该大于n，被观察的星球的层次也应该大于n。这些河外星系形成的旋臂都在一系列父星带领下绕本系中心祖星旋转。由于被观察的星球所处的层次大于地球在银河系所处的层次，所以被观察的星球的运行速度大于地球的运行速度，所以看起来被观察的星球以一定的正速度远离地球，比如距离地球100万光年的星系以每秒约20公里的速度退离地球。

另外，对于同一层次结构来说，星球所处的层次越大，它绕星系中心旋转的半径也越大，在相同的时间内划过的弧线也越长，所以其线速度越大。这就是为什么从地球上观察到的星系越远，其远离地球的速度也越快，而且是以向心加速度做圆周运动。比如，要避开银河系和距离地球100万光年的星系的屏蔽来观察一个距离地球250万光年的河外星系，则该河外星系的层次数应该大于距离地球100万光年的星系的层次数，所以在地球上可看到距离地球250万光年的星系以每秒50（>20）公里的速度飞离地球，而且是以向心加速度做圆周运动。

4.4 暗物质与暗能量

人们在研究星系的运动时观测到有些星系内层和外层星体以一致的速度绕中心旋转，由此设想在星系外部还包围着一圈大质量的暗物质，只有这样才能保证星系的稳定。另外，自20世纪20年代哈勃发现宇宙正在膨胀的现象之后，人们还一直在寻找一种无形的能量—暗能量，他们认为只有暗能量的存在才能拉伸空间结构并且导致宇宙的加速膨胀。但是科学家至今还未找到这种所谓的暗物质，对于暗能量的本质及其作用也认识不清，于是“暗物质”和“暗能量”就成为了当今天文学界、宇宙学界和物理学界中最大的谜团之一。

如果按照作者提出的星系形成理论则能很容易地解释宇宙膨胀的现象及相关的“暗物质”和“暗能量”的概念：

1）卫星是由行星生成的。正是在行星发生巨大火山喷发时卫星雏形被射入绕行星运转的轨道，然后不断地凝聚轨道附近的火山喷射物或其他星际物质而变得越来越大，并在星子撞击或或自转逐渐加速的母星的万有引力的拖曳下渐渐地远离行星，演变成今天的卫星。可见形成卫星的暗物质就是母星的火山喷射物或来自其他星球的速度达到第二或第三宇宙速度的星际物质。

2）一个行星可以分为朝阳和背阳的两个半球.这两个半球上的大气参数近似地满足理想气态方程，即pV≈nRT，其中p是指气体的压强，V为气体的体积，n表示气体物质的量，T表示气体的热力学温度，而R近似等于理想气体常数。在母星阳光的照射下，行星上朝阳半球的大气温度高于背阳半球的大气温度，因而在朝阳半球上可蒸发起更多的水气和其他气体分子，这些气体分子被高速流动且厚实叠加的平流层包裹在对流层中，因而逃不出去，而且两个半球的大气体积相当，所以朝阳半球的大气压强通常大于背阳半球的大气压强。又由于两个半球的面积相当，所以朝阳半球所受的大气压力通常大于背阳半球所受的大气压力。由于行星正常运转时母星对行星的万有引力等于行星做匀速圆周运动所需的向心力，因此当行星朝阳面所受的大气压力大于背阳面所受的大气压力时，就会使行星沿螺旋线渐渐地远离母星。所以行星上朝阳和背阳两面的气压差就是驱使行星渐渐地远离母星的“暗能量”。

3）过去天文学家避开银河系的屏蔽来观察一个河外星系，发现距离地球几百万光年的星系以正速度飞离地球，于是断言暗能量是一种充溢空间的、增加宇宙膨胀速度的难以察觉的能量形式，这是错误的。因为观测人员受到银河系的屏蔽，只能观察到河外星系中一些层次比地球在银河系中的层次更深的星球，结果发现所观察的星系以正速度飞离地球，而且离地球越远的星系飞离地球的速度越快。发生这种现象的原因是被观测的河外星系是一种比地球所在的银河子系具有更多层次的结构，正是由于多层次万有引力的作用才使得河外星系底层星球能以比地球运行速度更快的速度运行，所以说暗能量实际上就是星系结构中存在的多层次万有引力。

5 结论

由于现有的关于宇宙星系形成与演进的假说有许多问题，因此作者重新研究了太阳系及所有其他星系的形成与演进规律，发现了卫星和行星的变轨机制，从而揭示了卫星和行星的形成和演进规律，进一步揭示了太阳系及其他星系的形成和演进规律。还能科学地解释宇宙星系结构、宇宙膨胀现象及相关的暗物质和暗能量。

致谢

特别感谢世界著名天体化学与地球化学家，中国月球探测工程首席科学家，中国科学院院士欧阳自远的诸多关心和指导。

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[责任编辑：杨玉洁]