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太陽系的歷史[IMAGE]

[IMAGE]宇宙中的太陽

恆星的演化與太陽的未來

[IMAGE]與太陽相關的一些物理量

[IMAGE]太陽的內部結構(日震學)

隕星的研究:太陽系堣p行星體生成的年齡

回地科教室

  宇宙中的太陽

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科學家認為,我們的太陽和九大行星,幾乎在同一時期從星際雲中誕生。星際雲由飄浮在銀河系的氣體和微塵組成,氣體有92%是氫,7.8%是氦,微塵的主要成分是矽酸鹽。星際雲的密度並不均勻,有扭曲存在。

整個宇宙是由許多發光的星雲及一些暗物質所組成的,根據最新哈佛太空望遠鏡觀測估計的結果,宇宙中大概有五千億個星雲,這裡所謂的「發光中的星雲」就是俗稱的銀河。而太陽系所在的銀河,又稱作本銀河。本銀河與宇宙中的大多數銀河一樣,為一碟形的旋渦狀星雲。旋渦臂是一種密度波或更嚴格說是一種激震波(註:這種密度波的概念首先由瑞典科學家 Bertil Lindblad 提出,而後經林家翹博士等人進一步予以定量的估算證明之。)銀河中的氣體經過旋渦臂時被壓縮,密度增大,故呈暗帶(遮住了背景的星光)。此為密度波的上游部分。然而密度的增大也同時增加了氣體間碰撞的機會,因此導致了星球的形成,故呈明帶,此為密度波的下游部分。(這也顯示了整個反應為不可逆反應,因此旋渦臂可說是一種激震波。)根據天文觀查結果顯示質量愈大的星球,生命期愈短。旋渦臂中的星球多為此等高亮度、大質量的OB型星球。(註:正在進行核融合反應的星球,依其質量及亮度分布所繪出的主序星列圖上,依其質量可分為O B A F G K M等七型。太陽屬於 G 型星球)這些星球在其死後發生超新星爆炸時,會產生一種激震波,也是一種壓縮波。因此這些超新星爆炸的殘骸。與被其壓縮的四周氣體,結合起來又形成質量較小的星球。我們太陽系就在本銀河的一條旋渦臂的外緣。

[IMAGE]回目錄

  恆星的演化與太陽的未來

根據太陽的質量及核融合反應速率,科學家估計太陽藉著燃燒氫而發光的壽命約可延續110億年。目前太陽生命已過了約一半(49億年)。依據星球演化論的預測,當太陽的氫成分完全燃燒盡後,太陽將先膨脹為紅巨星、而後發生新星爆炸,而成為行星狀星雲、再經重力塌陷而收縮成為白矮星,並就此終其一生。白矮星是一種由簡併態的電子構成的星球,其體積隨著其質量的增加而減少,因此其質量有一上限,不可無限度增加。註:不同質量的恆星將以不同方式結束其一生。根據廣義相對論以及量子力學的計算,一些質量大約為太陽質量3~10倍大的恆星,將先膨脹為紅巨星,而後發生超新星爆炸,再經重力塌陷而收縮成中子星,終其一生。中子星是一種由簡併態的中子所構成的星球。一些質量更大的恆星,在發生超新星爆炸後,則可經重力塌陷後成為黑洞。黑洞是一種物理數學推導上所得到的一個奇異點,根據理論的計算,黑洞的質量密度都相當大,因此連路過它身旁的一些光子都會被吸引,無法繼續前進,根據最近天文觀測的結果,銀河中心可能有黑洞存在,又近來由於物理界終於證實了侉克的存在,因此在黑洞與中子星中間可能還存在一種侉克星,侉克星是一種由簡併態侉克所組成的星球。

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註:究竟多大質量的恆星會變成白矮星?多大質量的恆星會演變成中子星?多大質量的恆星會演變成黑洞?其實並無定論。科學家們只能大致的確定白矮星的質量不能超過約1.4倍太陽質量(Chandrasekhars limit, 錢卓綏卡極限)。而中子星的質量上限則約為太陽質量的三倍。由於星球燃燒放出能量,因此其質量不斷減少,最後發生新星爆炸或超新星爆炸時又將損失一部份能量,因此其最初質量的估算隨不同模式,出入頗大。再加上星球最初形成時,其組成成分是否為原始的氫氣,或含了其它星球殘骸中的重元素,這些都會影響估算最初質量與恆星生命史之間關係的結果。因此上文中說:質量大約為太陽三至三十倍大的恆星,將以中子星終其一生。這「三至三十倍」只是一個大約估計之值。

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  與太陽相關的一些物理量

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地球半徑 1 Re = 6.378 km

太陽半徑 1 Rs = 696,000 km

地日距 1 AU =149,600,000 km =200 Rs = 100 太陽直

太陽質量 1 Ms =198,900,000,000,000,000,000,000,000 kg

地球質量的 332,946

全部太陽系的行星質量的700

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 太陽的內部結構(日震學)

太陽的內部中央為核心約位在0~0.25的太陽半徑。密度約為水的158倍;溫度約為15000000 k在如此高溫高密度的環境下,可發生核融合反應。

太陽核心之外為太陽輻射層,約為在0.25~0.86太陽半徑。其底部密度約為水的20倍,溫度約為8000000k;其上部密度約為水的0.01倍,溫度約為500000 k

太陽核心所發生的核融合反應,可能是氫-氫鏈反應,以及碳循環鏈反應。這些核融合鏈反應可放出巨大內部能量(光子)以及為微中子。其中光子需經過約兩百萬年的時間,才能慢慢藉著碰撞與再輻射的方式穿過緻密的太陽輻射層穿到太陽表面,而微中子卻不會與太陽內部物質發生碰撞作用,因此可以自由的穿過太陽內部高密度區到達太陽表面。科學家們希望藉著測量到達地表的微中子數量,來確定理論上太陽內部核融合反應方程式的正確性。然而到目前為止,測量到地表的微中子數量仍少於理論上所預測的數值。

值的一提的是,發生核融合的反應是決定一個星球為恆星的必要條件。因為行星在生命初期,自己也會發光。巨大行星如木星,它目前所發生的能量,還是超過它所吸收的太陽能。以太陽為例,太陽就是繞著本銀河中心,旋轉運行。而本銀河在宇宙中的位置也不斷改變。

註:因太陽表面磁力線重聯所導致日珥結構的崩潰,造成日冕噴發、磁雲、太陽閃焰與激震波的形成。研究此激震波的傳遞而發展出日震學,而探得太陽內部從內至外為核心層、輻射層、對流層、光球層、色球層、日冕區。

 太陽內部的核融合反應

太陽這個大球體的直徑是864,000哩,包含了33,500億億方哩的極高熱氣體,重量比10的27次方噸的兩倍還多。深藏在太陽內部的各種氣體密度、溫度和成份都已被推測出來,使天文物理學家可以弄清令這些氣體燃燒的核反應過程,以及太陽的形成年齡。

太陽核心是一切力量的中心和出發點。氫原子於2,700萬度高溫轉化為氦。以 g 射線形式釋放出的能,向太陽表面湧出,可達300,000哩的高空中。而太陽內部每秒鐘以六億五千七百萬噸之多的氫轉變為六億五千二百五十萬噸氦灰--放出能為E=mc 。根據太陽質量及核融合反應速率,估計太陽的年齡至今已有49億年,如果太陽能保持住每秒鐘消耗不超過六億五千七百萬噸氫的話,還可已燃燒500億年,或更久一些。但不幸的是:從宇宙態的發展來看,在短期之內單是太陽核心中灰燼重量所引致的溫度上昇,就會引發其它更複雜的核反應,而太陽就得開始消耗比現在所耗更多得多的燃料。大約在約五十億年內這加速程序將開始,太陽就開始膨脹。所以太陽燃燒氫而發光的壽命約為110億年(11 billion years)。

 原始太陽系星雲的誕生

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大約46億年前,銀河系的某個角落發生了超新星爆炸。這次爆炸的震波在星際星雲中傳送,導致不均勻更為嚴重。這麼一來,星際雲便朝著密度較濃的部分收縮,開始在中心形成原始太陽。原始太陽周圍的氣體往原始太陽掉落,距離較遠的氣體則開始繞著原始太陽旋轉,形成圓盤狀漩渦星雲,稱為原始太陽系星雲。

進入1980年代後期之後,紅外線天文衛星IRAS在一顆年輕星球「金牛座T型星」周圍實際發現了這種圓盤狀星雲,並藉由紅外線觀測到星球周圍的灰塵。1992年,又在金牛座T型星觀測到圓盤狀星雲的氣體所放出的電波,同時確定了這些氣體正在旋轉。

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星際雲中,1000分之一公釐的微塵約佔總質量的1%。據推測,原始太陽系星雲在初期是處於激烈的亂流狀態,微塵和氣體攪和在一起。後來亂流漸漸平息,微塵互相合併成長,沈積在圓盤中心面。這段期間長達數千年之久。

 微塵聚集成長為微行星

沉積於圓盤赤道面的微塵層後來發生分裂,形成無數顆微行星。地球軌道附近的微行星大小約數公里,質量約一千兆公斤。這些微行星藉著彼此尺的重力不斷碰撞、合併,而逐漸成長。微行星越大成長速度越快。

現今木星領域的外側,除了岩石物質以外,冰物質也在沈積,導致外側原始行星的質量比內側的原始行星大。質量一但超過現今地球的十倍,便會不斷大量吸收周圍原始太陽系星雲的物質。等到總質量達到現今木星的程度,便會反過來排斥附近的星際雲,再也不會把物質吸進來。於是大氣的吸取到此為止,木星於焉誕生。木星的大氣含有大量的氫和氦,正是原始太陽系星雲氣體的主要成分。

 太陽系的形成與木星的影響

成長為巨大行星的木星,對週遭的原始太陽系星雲發生潮汐力的作用。由於這個作用,位於木星內側的星雲物質往太陽靠攏,位於木星外側的星雲物質則往太陽系外飛散。另一方面,比土星更遠的行星還需要一段很長的時間才能形成,但在還沒有吸取到足夠的氣體前星雲就飛散了,所以愈靠外側的行星大氣愈稀薄。

類地行星因質量太小無法吸取星雲的氣體,所以它的組成幾乎保留微行星的原始狀態,成為金屬/岩石質的行星。太陽系星雲在木星形成後逐漸飛散,造成今日太陽系的形貌。

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 隕星的研究:太陽系堣p行星體生成的年齡

隕星指的是那些在穿過地球大氣層時經得起猛烈燃燒最後仍能落到地球上來的有形碎塊,隕星是地球上唯一實體的太空物質的標本。許多隕星乃是小行星相互撞擊所生的碎片;但是,有些隕星可能正是形成太陽系的大團宇宙塵遺留下來的『星子』。這是進入地球引力範圍並且穿透大氣層而降落地面的碎片,大部分是石質的。然而,最大的隕星卻是圖一所示那樣的鐵隕星,它的大部分成分是緻密的鎳鐵合金。到目前為止,已發現的最大隕星估計重達60噸。像美國這麼大的地區,每年也只有2~8次大小可查覺出來的隕星掉到地上;但是,宇宙塵雨卻經常降落地面,每年的重量大約達到100萬噸。

 隕星分為三大類;

    1. 鐵隕星--含有98%或更多的鎳鐵;具有的結晶結構可能是熔融金屬在強大壓力下緩慢冷卻時形成的-這正是極易想到行星內部的環境條件。
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    3. 石鐵隕星--大約含50%的鎳鐵;與50%稱為橄欖石的一種岩石;其恰符合有關地核與地殼之間的某一地層構造-鐵、石各佔一半。
    4. 石隕星--即隕石,石隕星再做進一步的細分,以其是否含有由橄欖石及輝石所構成的細小物體(或粒狀體)為分界線,那些含有這些隕石的石隕星稱為球粒隕石,它在已知的石隕星的90%以上,剩下少數不含上述物質的石隕星則稱為無球粒隕石-石隕星含有地殼所包含的某些無機物。

這種種分類為那些試圖根據遠古以及去設想出地球歷史的人,提供了許多寶貴的線索,因為隕星不僅也是太陽系的成員,而且放射性的年代測定更說明了它們與地球的年齡一樣大。

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過去降落地面的隕星及今後還要降落的隕星,還有過去把月球打成一個大麻子的隕星-給人類提供了可望了解我們所永遠所無法達到地底深處組成的探索,也就是地球起源的線索。

 

[IMAGE]回目錄


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