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星云盘的形成和演化（第1页）

星云盘的形成和演化

原始星云收缩到大致今天海王星轨道的大小时，由于角动量守恒，赤道处的自转速度已经大到离心力等于星云本身对赤道处物质点的吸引力。这时，赤道尖端处的物质不再收缩，留下来绕剩余的部分转动，空了的尘端部分由上面、下面和里面的物质补上。原始星云继续收缩，在赤道处进一步留下物质，这样就逐渐形成一个环绕太阳旋转的星云盘。

*原始星云

在银河系的盘状部分（即银盘），离银河系中心3。3万光年、离边缘1。5万光年处，星际弥漫物质在约47亿年前曾集聚成一个比较大的星际云，这个云由于自吸引而收缩，云中出现了湍涡流，后来这个云碎裂为一两千块，其中的一块就是我们太阳系的前身。到后来形成太阳系的这个星际云碎块（下面把它称为原始星云），由于它是在涡流里产生的，所以从一开始就在自转着。其他的碎块也大多形成了恒星，它们全部或大部分都有自转，自转速度有快有慢，自转轴的方向也多种多样。所以，太阳过去是一个星团的成员，后来，这个星团瓦解了，散开了。

原始星云的质量比今天太阳系的总质量大些。它一面收缩，一面自转，由于角动量守恒，越转越快。赤道处惯性离心力最大，因为离心力是一个排斥因素，它对抗了吸引，所以赤道处收缩得比较慢，两极附近收缩得比较快，原始星云便逐渐变扁。

原始星云最初温度很低，在冰点以下200多度，所以开始时收缩很快，在两极附近，物质几乎是向中心自由降落。这时候，吸引是矛盾的主要方面。原始星云在收缩中释放出大量引力势能，它转化为动能、热能，使得温度升高，相应地，云的内部压力增大，成为对抗自吸引的主要的排斥因素。原始星云的化学组成就是星际物质的化学组成，也就是今天太阳外部的化学组成，氢最多，其次是氦，然后是氧、碳、氮、氖、铁、硅、镁、硫。取硅原子数目的相对含量为单位，原子数目的相对含量乘原子量就得到质量的相对含量。

除了上面10种元素，其他元素的相对含量小得多，最多的按原子数目也不到硫的1／5。当温度很低时，最丰富的元素氢多以分子的形式存在。原始星云收缩到内部温度达1000多度时，大部分的氢分子都离解为氢原子，原始星云就成为一个中性氢云。当内部温度进一步升高到一万度时，大部分的氢原子都电离了，原始星云就成为一个电离氢云。

*星云盘的结构

原始星云收缩到大致今天海王星轨道的大小时，由于角动量守恒，赤道处的自转速度已经大到离心力等于星云本身对赤道处物质点的吸引力。这时，赤道尖端处的物质不再收缩，留下来绕剩余的部分转动，空了的尘端部分由上面、下面和里面的物质补上。原始星云继续收缩，在赤道处进一步留下物质，这样就逐渐形成一个环绕太阳旋转的星云盘，剩余物质（实际上约占原来质量97％）进一步收缩成太阳。整个星云盘的形成只用了几百年的时间。

在星云盘开始形成以前，太阳已成为一个红外星。原始星云在收缩过程中，越靠近中心的部分，密度增加越快，星云的中聚度（向中心密集的程度）随着时间的流逝而相当快地增大。所以，星云的中心部分占有总质量的绝大部分，它形成了太阳。

星云盘形成后，太阳开始进入慢引力收缩阶段。那时候，太阳的自转比今天快很多，磁场也比今天强几百倍，内部存在着强烈的对流，能量从内部转移到外部主要就是靠对流。在今天，太阳的活动主要也是由于较差自转、磁场和对流这三个因素互相影响而产生的。在太阳的慢引力收缩阶段，这三种因素都比今天强烈得多，所以太阳活动也比今天厉害得多。在那个阶段，太阳大量抛射物质，光度作不规则变化，在长达约800万年的时期内一直是一个金牛座T型变星。

太阳的引力和辐射控制了整个星云盘的结构。星云盘里离太阳越远的地方，太阳的吸引力越弱，由于太阳的辐射到达那里已变得比较稀薄，所以温度比较低。星云盘的厚度主要决定于太阳吸引力的垂直于赤道面的分量和气体压力之间的对比，前者使盘的厚度减小，后者使盘的厚度增加，两者构成一对吸引-排斥矛盾。当离太阳的距离增加时，太阳引力的垂直分量比气体压力减小得快，所以星云盘的厚度越往外面越大。由于星云盘是里面薄外面厚，又向上、下弯曲，所以太阳的辐射可以从外面进入星云盘的外层。

星云盘刚形成时，外部的温度为绝对温度几十度，内边缘的温度高到2000度左右。当原太阳收缩到大致今天的大小以后，星云盘的温度降低，各处的温度主要决定于太阳的光度和该处离太阳的距离，温度值大致和距离的平方根成反比，和太阳光度的四次根成正比。在行星形成过程中，星云盘外边缘的温度低于100K，内边缘的温度低于1000K，具体数值随着太阳光度的变化和星云盘透明度的变化而变化。

*星云盘的演化

星云盘的演化最重要的有两个方面：一是化学组成的演化，二是尘粒的沉淀。

星云盘物质的化学组成，开始是和今天太阳外部的化学组成一样的（太阳内部由于氢核聚变，氢在减少，氦在增多），后来，由于各处温度不同以及其他原因，里外的化学组成才变得不一样。

星云盘由内到外可以分为三个区：类地区、木土区和天海区（包括冥王星）。在最里面的类地区，由于最靠近太阳，温度最高。过一段时期以后，挥发性物质几乎全部跑光，只剩下铁、硅、镁、硫等及其氧化物，这类物质称为土物质。土物质占原来物质的0。4％，也就是，在类地区里，原来的物质只保留下来千分之四，其余的都跑掉了，离开了太阳系。

跑掉的物质可以分为两类：一类叫做气物质，包括氢原子、氢分子、氦、氖，它们的沸点不超过绝对温度8度（冰点下265度），最容易挥发。气物质按质量占原来物质的98。2％。还有一类叫做冰物质，包括氧、碳、氮以及它们和氢的化合物，占原来物质的1。4％，在标准条件下平均沸点约绝对温度255度。土物质的沸点为1000多度左右。

今天，木星的氢含量约80％，氦含量约18％；土星的氢含量约63％；天王星和海王星的氢含量只有10％左右。在木土区，气物质跑掉了一部分；而在天海区，气物质却跑掉了绝大部分，这里温度低，气物质跑掉，不是由于挥发，而是由于该区离太阳远，太阳的吸引力微弱，逃逸速度小，气体分子的热运动速度有大有小，热运动速度大的分子加上公转速度就可以超过逃逸速度而跑掉。所以，天王星和海王星主要是由冰物质组成，冰物质占23以上，土物质和气物质合起来不到13。

天文观测结果表明，星际物质和星云一般不仅有气体也包含一些尘粒。星际物质对星光起消光作用，主要就是由于它里面的尘粒散射了星光。按质量计，尘粒占星际物质的1。5％左右。星云盘刚形成时，由于温度较高，在类地区和木土区里的小冰块都熔化了。在类地区里，连土物质的尘粒也熔化了。只是到后来，随着星云盘的温度降低，才在木土区重新凝聚出小冰块，在类地区凝聚出土物质的尘粒。类地区由于温度高，绝大部分的气物质和冰物质（都是气体）都跑掉了。

尘粒的质量比气体分子大，所以热运动速度较小，在太阳引力垂直分量的作用下，尘粒将在气体里沉淀，向赤道面下沉。但是，气体的摩擦力会对这种下沉起阻凝作用。于是，这里又出现了吸引-排斥矛盾。在这里，吸引是矛盾的主要方面，所以尘粒还是下沉，于是形成薄薄的一个尘层，行星就在尘层里逐步形成。尘粒集聚成较大的固体块，称为星子。后来，星子逐步结合成为行星和卫星。在太阳系天体的形成过程结束以后，星云盘物质的绝大部分不是归入行星、卫星、小行星、彗星，就是跑掉了。星云盘也就消失了。残余的物质则成为行星际空间里的大大小小的流星体和行星际气体。

延伸阅读——行星的形成

现在，地球和其他类地行星基本上是固态的，所以只能是由固体质点和固体块集聚形成的。类地区里由于温度高，气物质和冰物质绝大部分都挥发掉了。天王星和海王星也是固态的，但大部分是冰，最多的是水冰和水化氨冻结成的冰。木星和土星的核心部分是由土物质和冰物质组成的固体，中部和外部是液态的，中部主要是金属氢，外部主要是分子氢。

尘粒在星云盘内气体中下沉时就已开始集聚了，它们一边下沉，一边集聚。这是行星形成过程的头一个阶段。尘粒的集聚只能靠碰撞。尘粒之间有相对运动速度，包括热运动和随着气体湍流的运动。如果两尘粒大小差不多，相碰时可能碰碎，但也可能是一个尘粒和另一尘粒的一部分（碎块）结合起来。如果大小相差很多，那么，碰撞的结果常会是较小尘粒的全部或一部分被较大的尘粒吃掉。当尘粒长大到不能再称为尘粒而应当称为星子时，大的星子遇到小的星子或尘粒，就更容易把它们吃掉。这个过程叫做碰撞吸积。由于运动和碰撞的随机性，由尘粒形成的星子在大小方面可以相差很多。尘层形成后，由于密度增大，碰撞会更加频繁，星子就长大得更快。那时，在今天每个行星所占据的区域里总会出现一个最大的星子，这样的星子便是行星的胚胎，称为行星胎。如果最大的星子不久以后在碰撞中被碰掉了相当大一部分，不成为最大星子了，那么原来第二大的星子就升上来，成为行星胎。

当行星胎半径大到1000米左右时，它的质量已经大到需要考虑它对星子的吸引了。在这以前，集聚只靠碰撞，只有星子碰到行星胎时才会被吃掉；现在，只要星子接近行星胎到一定距离，它的运动方向就会由于行星胎的吸引而弯曲，逐渐接近行星胎，终于被吃掉。行星胎的生长主要靠引力，称为引力吸积。在一段时期内，碰撞吸积和引力吸积都起作用；以后，引力的作用便大大超过碰撞的作用，只需要考虑引力吸积了。

星子的平均半径越大，空间密度（单位空间体积内星子的数目）就越小。由于星子运动的随机性，从一个局部范围看，星子的分布可以很不均匀，每个星子常会处于一个不对称的引力场中，从而受到加速。所以，随着星子的增大，星子间的相对速度不是减小，而是缓慢地增大。星子是由尘粒形成的，原来的尘层已不能再称为尘层，而应当改称为吸积层。

在天海区里，由于离太阳远，太阳的吸引力微弱，逃逸速度小，气体逐渐逃逸掉了。气体的逃逸是很慢的，但由于星云盘里离太阳越远物质越稀薄，所以天海区里物质的密度比木土区和类地区都小得多，行星的形成过程进行得很慢，所以当天王星和海王星长大到足够吸积气体时，气体已经跑光了。所以，天王星和海王星的体积和质量比木星和土星小，除大气以外，整个是固体，大部分是冰。