无数天文观测已经证明,所有的新星系统都诞生于分子云中。各个新星系统的形成过程,大同而小异。所以才有了如太阳一般带领一群孩子的“单亲家庭”,也有了在宇宙中占多数的“双星系统”,也还有了“三星”甚至“四星”系统。天文学家将诞生太阳系的那片分子云称为“前太阳星云”,太阳系就是前太阳星云坍缩而成的。关于太阳系形成与演化,前人大多认为,是由于太阳星云中的气体和尘埃,缓慢聚集并最终引发星云坍缩,最终演化形成了如今的太阳系。
与前人不同的是,笔者主张在前太阳星云形成太阳系的过程中,由于偶然间附近发生了超新星爆炸,将大大小小若干块爆炸碎片投入了这片分子云中。较大质量的固态物质参与在整个星云凝聚过程之中,而且起着相当关键的作用,我们称其中大质量固态物质为“原始星核”。
太阳系的形成,与超新星爆发相关联,是有地质学依据的。20世纪中叶,人们对地球古陨石的研究发现,有短暂的同位素铁-60存在的踪迹,该元素只能在大爆炸以及寿命较短的恒星中形成,这显示在太阳形成的过程中,附近发生过大爆炸。爆炸抛出大量固态碎块物质,并进入太阳星云中。
根据超新星爆发类型,可以分为“核坍缩”和“热核爆炸”两大类。按照恒星演化理论,能够抛出大质量固态物质团块的爆炸,应该是一次热核爆炸。热核爆炸典型的事件为“Ia型超新星”爆发。
Ia型超新星
根据恒星演化理论,中低质量的恒星在度过生命期的主序星阶段后,将结束氢聚变反应,在星体内部开始进行氦聚变,将氦燃烧成碳和氧的三氦聚变过程,此过程放出大量热量,加热其外层物质,使其膨胀成为一颗红巨星。
当红巨星的外部区域迅速膨胀时,氦核受反作用力而强烈向内收缩,被压缩的物质不断变热,最终内核温度将超过一亿度,于是氦开始迅速聚变成碳和氧。经过几百万年,氦核燃烧殆尽。此时,恒星的结构组成已经不那么简单了:外壳仍然是以氢为主的气体混合物,而在它下面有一个氦层,氦层内部还埋有一个碳氧层。星体内部核反应过程变得更加复杂,中心附近的温度继续上升,最终使碳和氧转变为其他重元素。与此同时,红巨星外部开始发生不稳定的“脉动”振**,恒星半径时而变大,时而又缩小,稳定的主星序恒星变为极不稳定的巨大火球,火球内部的核反应也越来越趋于不稳定,忽而强烈,忽而微弱。此时的恒星内部核心实际上密度已经增大到每立方厘米十吨左右,此时在红巨星内部,已经诞生了一颗白矮星。当恒星的不稳定状态达到极限后,红巨星会爆发,把核心以外的物质都抛离恒星本体,物质向外扩散成为星云,残留下来的内核就是一颗白矮星。白矮星也称为“简并矮星”,是一种低光度、高密度、高温度的恒星。因为它的颜色呈白色、体积矮小,故称为白矮星。白矮星质量的大小,与其前身恒星大小密切相关,随着白矮星的自身质量的增大,白矮星内部物质圈层也会有所增加,内部的物质构成也会有所变化。
普通恒星的内部主要依靠核聚变产生能量对抗恒星本身万有引力来维持稳定,能量释放形成向外的扩张力,与恒星自身的万有引力相互制衡。白矮星的内部不再有物质进行核聚变反应,因此恒星不再有能量产生。这时它也不再由核聚变的热量抵抗重力坍缩,而是由密度非常高的物质产生的电子简并压力来支撑。
白矮星密度非常大,一颗与地球体积相当的白矮星的表面重力约等于地球表面的18万倍。在这样高的压力下,任何物体结构都已不复存在,只留下一个个的原子。而且原子外层的电子云结构也被破坏掉了,电子脱离了原子轨道变为自由电子,原子核被挤压在一起。
物理学上,对一颗没有自转的白矮星,电子简并压力能够支撑的最大质量是1.44倍太阳质量,也就是“钱德拉塞卡”极限。许多碳氧白矮星的质量都接近这个极限质量,条件具备的白矮星,会抢夺其伴星的物质,白矮星质量进一步增加,自身引力增大,电子之间的“简并压”提供的支撑力,无法抗拒万有引力时,恒星会突然坍缩,外层物质在万有引力作用下,以大约45000英里/秒接近光的速度砸向内核。而内核里电子和质子被挤压,导致白矮星内部再一次点燃热核聚变,产生大量“中微子”,中微子穿过稠密气体时部分被吸收,气体获得巨大能量,从而产生整个星体的爆炸,成为一次Ia超新星。超新星爆发产生了X光、伽马射线、紫外线。气体再次吸收热量,温度升至几百万度,因而超新星爆发非常明亮。
20世纪60年代,科学家首次提出恒星的电子简并核,可以通过热核燃烧激发热核爆炸,并将整个天体炸碎。经过近50年的研究,21世纪初科学家已普遍接受了以上图景。
总结起来,形成Ia型超新星爆发,需要如下条件:
1、存在一个双星系统,其中必须有一颗是将要爆发成为超新星的白矮星。另一颗伴星可以是像太阳这样的主序星、红巨星,或者是白矮星。
2、存在着从伴星向碳氧白矮星的气体等物质输送,因此使得碳氧白矮星的质量不断增加。
3、当碳氧白矮星的质量增加到太阳的1.44倍时,再次点燃星体核心的核聚变,这一时期的核聚变反应进行得极其迅速,因而发生大爆发。
当前流行的Ia型超新星前身星模型主要有两种,一种是碳氧白矮星的吸积模型,另一种是碳氧白矮星并合模型。
碳氧白矮星的吸积模型。如前文所述,是一颗碳氧白矮星从一颗主序星、亚巨星或者是一颗红巨星那里吸积物质,被吸积的物质在碳氧白矮星表面稳定地燃烧,逐渐增加白矮星质量,当白矮星的质量达到其最大稳定质量极限时,白矮星中心的物质被点燃,再次发生剧烈的核聚变,释放出的核能瞬间将白矮星炸碎,从而产生Ia型超新星现象。Ia型超新星爆炸后,星体将会被炸碎,在爆炸的核心处,不会凝聚成为中子星或者黑洞。
Ia型超新星爆发出的晕
碳氧白矮星的并合模型。是指两颗碳氧白矮星相互绕转,由于引力波辐射消耗双星系统轨道角动量,使双星相互靠近,最终并合成一颗新的、更大的碳氧白矮星。如果这颗新的碳氧白矮星的总质量超过1.44倍太阳质量这一最大稳定质量极限,也会发生类似于碳氧白矮星吸积模型那样的核聚变,产生一次超新星爆发。
在碳氧白矮星里,表层物质主要为碳和氧,再往内部,是硅镁层,越是往星体的里面,物质元素就会越“重”,直至核心部位,已经成为一个铁核,并且这些物质统统都是“超固态”物质。
当一颗Ia型超新星发生爆炸时,其中心部位受到强大的内聚压力,实际已经开始凝聚一颗中子星了。但由于白矮星质量刚刚超过1.44倍太阳质量,星体中心没有足够的物质供应,以保持强大的内聚压力,最终,星体内部没有能够成功凝聚成为一颗中子星。而星体爆炸,其核心部位的中子态物质,以及星体外层的超固态物质都被炸裂开来,散落在宇宙空间里。这些物质也会成为后世恒星的建筑材料。
天体爆炸的“弹片”
新华社2017年08月21日报道,澳大利亚国立大学的科学家与捷克、德国、匈牙利、美国、加拿大等国同行合作,使用多个望远镜观察了一枚Ia型超新星的爆炸剩余部分,一个代号为LP40-365的小型星体,这颗小型星体以极高的速度穿过了银河系。科学家经过仔细研究后认为,这颗在银河系流浪的小型星体,很可能是数百万年前一个双星系统内的白矮星引发的大爆炸崩出来的一枚弹片。
除了Ia型超新星爆发创造出重物质碎块外,中子星碰撞合并等天文事件也可以造就重物质碎块。据科技日报2017年9月22日报道,发表在《物理评论快报》上的一项新理论模型表明,中子星碰撞、微型黑洞从其内部毁灭中子星,都可能制造出重元素,产生出超高密度物质碎块。
尽管宇宙中绝大部分中子星都孑然一身,但也会有两颗中子星组成双星系统,它们可以在一起相互绕转数十亿年,但是在这一过程中会逐渐相互靠近,直到有一天,这两颗中子星终于陷入毁灭性的相撞。
这时候两颗中子星的大部分物质会合并成更大的中子星,或者发生进一步坍缩,形成黑洞,而另外一部分物质会被抛入太空。这些物质中的中子射向种子核子,能够合成远远重于铁的元素,如金、铅、铂等。
虽然大多数科学家认为,从铁到铀,自然界稳定存在的重元素中,有约半数是大质量恒星在生命终结阶段发生超新星爆发时生成的。但也有科学家给出了不同的可能性,他们指出,这些重元素的起源可能是一种更加狂暴而罕见的机制,即密度超高的中子星之间发生的相撞。
中子星物质会被抛入太空,它们本身就是中子态。碰撞形成的碎块,失去中子星强大内聚压力后,部分中子短时间内还原成为质子,整个物质碎块就变为一个超大的原子核,成为一种地球环境下不存在的特殊物质,我们称之为“奇异物质”。而这些物质中富含中子且极具放射性,很多中子会被射向附近的其他物质,这些物质吸收射来的中子后,便会被催生形成原子量越来越大的元素,产生大量具有强放射性不稳定原子核。
科学家得出这一结论,源于一次伽马射线暴。这次伽马射线暴源距离地球约39亿光年,虽然持续时间不到0.2秒,但其红外线余晖却持续数天时间。科学家将观测的结果与理论模型进行对比之后,得出结论认为这是大量重金属元素形成之后产生的放射性辉光,而这些重元素是在一次中子星的撞击事件中产生的。
除了超新星爆发和中子星合并,黑洞吞噬白矮星、中子星的残留物,或者黑洞爆炸喷发出来的碎块物质,也可能成为含极强放射性重元素的固态物质,其大质量的碎块如果进入星云之中,会成为诱发星云坍缩的动力源,或者我们称其为“原始星核”。
分子云坍缩
如果有大质量的固态物质进入分子云中,可能会与星云中的气体、尘埃摩擦而停留下来。由于它们具有很强的吸引力和凝聚力,就会成为后世星体诞生的种子,或者叫做星体的原始星核。在分子云凝聚、坍缩成为星球的过程中,起到至关重要的作用。
原始星核中最大的一块,凭借强大的引力,快速吸聚周围尘埃、碎块,使得它自身质量越来越大,引力越来越强,吸聚的速度也越来越快。就这样像滚雪球一样越滚越大,最终引发了引力坍缩,积聚了其势力范围内绝大部分气体、尘埃和小碎块,形成了如今的太阳。
有少数固体物质、尘埃和气体,在引力作用下围绕原始太阳旋转,形成了原始的太阳星盘。星盘上的这些物质之所以所占比例很小,需要它们初始位置恰巧处在“星盘”附近,并在形成星盘漩涡时获得与太阳的引力相等的离心力。
在太阳星盘中,有几块相对较大的原始星核,它们和残留的气体、尘埃一起,共同组成了一个大的原行星盘。这几块较大的原始星核,在自己的“势力范围”内吸积物质,逐渐形成了割据之势。在原始星盘中,以这几块较大的原始星核为基础,形成了几个小旋涡,慢慢积聚物质,最后形成今天的行星。
在这些较大的原始星核鞭长莫及的地方,更小一点原始星核则占山为王,建立了自己的山头,形成的更小的势力范围,演化成如今的卫星。
而在如今火星之外、木星以内的那一带空域,由于没有能够兼并和统御一方的较大质量原始星核存在,致使这一带至今仍然是“一片散沙”状态,成为小行星带留存至今。
就这样,经过如此群雄逐鹿、割据纷争,形成了以太阳为主导,行星、卫星、陨星和其他小型天体组成的太阳系天体系统。
值得强调的是,主导分子云汇聚、坍缩、凝结成为星体的是原始星核,而非分子云中的气体物质或者尘埃。
计算表明,如果太阳系是从单纯的弥漫星云演化而来,并且原始星云的角动量等于今天太阳系的总角动量,那么,当星云收缩到今天太阳系的大小时,赤道处的离心力将远远小于吸引力,不可能留下物质来形成星云盘。一定有原始的、具有较强引力的固态物质参与太阳系行星系统的形成,这佐证了我们主张的原始星核的存在。
如果在同一片星云中,同时闯进来两块质量旗鼓相当的原始星核,星云将会在大致均衡的引力作用下,分裂成为一个双星系统。如果同时闯进来的,有三块甚至四块旗鼓相当的原始星核,并且它们处于适当的位置上,星云就会形成三星或者四星系统。
类地行星形成
类地行星是指距离太阳较近,覆盖少量或微量大气,包括地球在内,水星、金星、火星这几颗主要由岩质组成的,体积较小的行星。
有传统理论认为,类地行星的形成,是在太阳形成时代结束后,太阳星盘内形成了50~100个月球到火星大小的行星胚胎,由于这些天体的相互碰撞和合并,进而逐步生长。这一过程持续了大约1亿年。这些天体之间的引力作用,互相拖动对方的轨道直到它们相撞,相互吞并,因而使它们长得越来越大,直到形成我们今天所知的4个类地行星。
此模型未解决的最大的问题是,那些行星胚胎需要有相当的偏心圆形轨道才能相撞;否则,它们轨道将无法相交。但是,如果它们最初的轨道偏心率较大,它们后来又是如何才能形成今天这样相当稳定,并且接近圆形的轨道的?
针对这个问题,有人提出了“偏圆去除”理论。偏圆去除的假说之一认为,在类地行星形成之时,盘中气体尚未被太阳驱离。这些残余气体的摩擦阻力终将降低行星的能量,平滑化它们的轨道。不过,如果当时存在这样的气体,那么一开始它就会防止类地行星的轨道变得如此偏圆。
另一个偏圆去除假说则认为,引力拖拉不是发生在行星和气体之间,而是发生在行星和剩余的小天体之间。当大的天体行经小天体群时,小天体受到大天体的引力吸引,在大天体的路径形成了一个高密度区,并因此降低了大天体轨道偏心率,使其进入一个更正规的轨道。
实质上,由于原始星核的存在,类地行星的生成过程没有如此复杂,根本不需要气体、尘埃首先凝聚成星子,再由星子大规模相互碰撞、合并那么烦琐复杂,只是原始星核吸聚周围气体、尘埃和碎块,在与尘埃、碎块的引力拖拉和与气体摩擦过程中逐步减速,而将偏圆去除而已。
类木行星形成
类木行星是指类似木星的气体行星,体积较其他岩质行星来的大,包括木星,土星,天王星以及海王星等四个行星。然而,天王星和海王星有许多地方和木星、土星有所不同,有时“类木行星”专指木星和土星这颗行星,而把天王星海王星另眼看待。
木星、土星、天王星和海王星称为类木行星,由于它们的质量和半径均远大于地球,但密度却较低。所以有人认为它们主要由氢、氦、冰、甲烷、氨等构成,石质和铁质只占极小的比例。这种观点有一定道理,厚重的大气层和较小的比重就足以说明。但是,石质和铁质的占比究竟有多少,目前没有详细的探测数据,还需要进一步探测和研究。
类木行星有如下的共同特征:那就是都具有行星环的结构且星体的密度较低,土星的密度甚至比水还要低。它们都有比较多的卫星,旁边还有一圈圈光环。平均密度约≦1.75克/立方厘米,土星的密度约为0.7克/立方厘米。土星的质量为地球的95倍,木星质量约为地球的318倍,但木星的半径只比土星大
20%。
传统理论认为,木星和土星的结构,由内而外,中心有岩石核心、液态金属氢、液态分子氢、充满气体的大气层,表面有漩涡状云层。另有行星环及为数众多的卫星环绕着。
笔者则认为,类木行星和地球一样,球心也应该含有相当比例的奇异物质。因为这些星球中心也都有着大量的放射性物质存在,并不断衰变散发着热量。
以木星为例,对木星的考察表明:木星正在向其宇宙空间释放巨大能量。它所放出的能量是它所获得太阳能量的两倍,这说明木星释放能量的一半来自它的内部。木星内部存在热源。
众所周知,太阳之所以不断放射出大量的光和热,是因为太阳内部时刻进行着核聚变反应,释放出大量的能量。
木星是一个巨大的气态星球,蕴含大量的气态和液态氢,本身已具备了天然核燃料,加之木星的中心温度估计已达到了28万K,也具备了进行氢元素聚变反应所需的高温条件。但是它却没有像太阳那样燃烧起来,这是因为它的质量太小。木星要成为像太阳那样的恒星,需要将质量增加到如今的100倍以上才行。根据天文学家的计算,只有质量大于太阳质量的8%,自身引力才能达到点燃核聚变反应内部压强。
那么,木星何以能够自行发热呢,大概也只有放射性核衰变这一条路了。由于现今科技水平所限,类木行星的相关数据很少。到现在,就连我们居住的地球内部结构尚不十分清楚,关于遥远的类木行星的内部结构,更是需要进一步探查研究的了。
行星轨道
以前,大多数科学家都认为,在恒星形成初期,其外部包围着一圈碟状的宇宙残渣,这些宇宙残渣由宇宙尘埃和气体物质组成,后来,经历了几百万年的时间,这圈碟状的宇宙残渣才逐渐积聚,并吸聚周围气体,形成了围绕恒星运转的行星。但是,2002年11月28日出版的《科学》杂志上一份研究报告称,经过计算,这些巨大的碟状宇宙残骸,在围绕恒星旋转不了几圈后就会分裂消散。而太阳星盘之所以能够凝聚成为行星而没有消散,极大的可能是较大的固体物质——原始星核的存在的原因。
似乎我们应该重新定义一下吸积模型才好。即,行星是由星盘内的原本存在的原始星核吸积周围各类原料缓慢形成。行星的大小取决于它的原始星核大小以及原始星核引力能够辐射的势力范围。
行星的轨道形状,取决于主星的前进方向和主星对原始星核的引力方向二者间的夹角。夹角的大小决定了今后轨道的“扁”或“园”。
行星轨道与赤道的倾角,与原始星核最初位置相关。原始星核的初始位置离星盘盘面越近,将来的行星轨道与赤道夹角越小;反之初始位置与星盘盘面距离越远,今后行星的轨道与赤道夹角越大。
热木行星的佐证
2016年,科学家在太阳系外观测到了被称为“热木行星”的天体,热木行星所具有的特征,强有力地佐证了笔者的观点,即原始星核在行星形成过程中存在,并起到相当关键的作用。
太阳系中的所有行星均在围绕着太阳的赤道平面附近运转。在已知的八大行星中,地球的轨道倾斜最大,但即使这样,倾斜角仍然只有7度。天文学家们曾认为这很正常,所有行星的运行轨道都是围绕主恒星的赤道平面发展进化的。
但最新的研究发现,真实情况远比想象的复杂,至少对热木星来说是这样。天文学家们曾预测大多数星系中都有像地球那样小型的岩质行星近距离围绕主恒星运转,同时也有大型的类木行星远距离围绕恒星运转。
2016年,科学家在探索宇宙时,发现了一颗非常诡异的“婴儿恒星”,这颗恒星距离地球500光年,位于金牛座方向上。而在这颗恒星所形成的行星系中,还发现了一颗奇特的行星。这是一颗质量达到木星11倍的气态巨行星,紧紧围绕在这个婴儿恒星身旁,公转周期只有9个地球日,距离它的“太阳”非常近,它所处的环境相当热,这使得科学家称之为热木行星。
从它的公转周期,我们知道,它离这颗婴儿恒星非常近,按照传统理论对行星形成的理解,热木星是不可能在距离恒星如此近的地方形成的。按照传统理论,热木星都是形成于距离恒星较远之处,然后逐渐向内环迁移,这个过程很漫长,至少需要上亿年的时间。
之所以称这颗热木星所绕行的主恒星为婴儿恒星,是因为它形成的时间非常短,只有200万年,按照传统理论,如此年轻的恒星,它的周围根本没有时间来孕育出一颗热木星,这颗热木星的存在超出了我们的认知,科学家也搞不清楚这到底是怎么回事。
为了对这个非常早熟的恒星系进行更深入的探索,弄明白它内部到底隐藏着什么样的秘密,科学家利用“阿塔卡马”大型毫米/亚毫米阵列展开进一步探测,得到的结果让人们震惊不已。据一项发布在《天体物理学杂志通讯》的研究介绍,天文学家又在这个婴儿恒星系中发现了另外三颗气态巨行星。其中,内侧一颗的质量与木星相当,外侧两颗则与土星相当。也就是说,这个婴儿恒星系中至少存在四颗气态巨行星。
这真是太不可思议了,能够在这个形成只有200万年的婴儿恒星系中发现一颗热木星就够人们惊叹了,没想到这个婴儿恒星系里远不止一颗行星,而是有着四颗气态巨行星,这完全颠覆了人类的现有认知。
而且这四颗巨行星的位置分布也非常极端,最外侧行星到恒星的距离居然高达最内侧的1000倍。相比之下,海王星到太阳的距离还不到水星到太阳的距离的100倍。这一切是前所未见的,算是给我们长了见识。另外,按照目前流行的行星形成模型,外侧两颗气态巨行星也本不应该存在。这类行星的形成往往始于一个固态内核,然后不断吸积气体。不过,在远离恒星之处,进度会非常缓慢。对于只有200万年历史的恒星而言,几乎所有模型都表明,外侧两颗行星是难以形成的。
所谓存在即为合理,只要是宇宙中存在的情况,必然是符合科学的,我们无法对其进行解释,只能是人类的科技还非常落后,说明我们之前的理论不是很正确。
随着一颗又一颗系外行星被发现,曾经简单的行星形成的模型被推翻,情况也越来越复杂。
同样令人震惊的还有,一些热木星并不是沿着与主恒星相同的赤道平面运转,而具有极大的倾斜角,其中一些甚至以与其自转方向相反的逆方向运行。那么,这些行星的运行轨道为何如此奇特?当今广泛认可的行星模型为“核吸积”,即行星是由星周盘内的各类原料缓慢形成。在这些行星盘中,尘埃与冰粒通过吞噬周围物质不断成长,在温度更高的行星盘内部,由于温度过高,气态水无法凝华成冰块,因此行星的成长十分缓慢。
在更远处,存在大量冰块而使行星内核快速形成,当质量累积到足够大时(约为地球的10倍),它们便能吸收周围的气体。而当行星达到这个质量时,便能聚合周围的气体,迅速成长,成为成熟的行星。在此过程中,行星与星盘的相互作用使得行星向内迁移。根据在星盘所处位置的不同,行星有可能大范围向内迁移,甚至最终被主恒星吞噬,这个过程最终将以主恒星吞噬系统中所有的尘埃与气体告终。而行星则逐渐分散,不断吞噬残留的天体碎片。然而,最新发现的以大倾斜角运转的行星却无法用该模型解释。
一些天文学家们研发了“高离心力迁移”模型。何为高离心率迁移?按照传统理论,巨型行星最初在圆形轨道上形成,与主恒星赤道平面保持一致。随着恒星系统的进化,行星的运行轨道被同一个系统中的其他大型天体(最有可能是其伴星)所扰乱。因此,行星的轨道越来越不像圆形,天体的倾斜度越来越大。若一个行星已大幅度倾斜,将受到“Kozai-Lidov机制”的影响。
在天体力学中,Lidov-Kozai机制是卫星轨道的扰动,它是由另一个物体的引力向更远的轨道运动而引起的,它使轨道的中心点论点自由化(以恒定值振**)。随着轨道的自由移动,其倾斜度和偏心率之间会发生周期性的交换。
在此机制的影响下,行星的轨道将产生大幅偏移。随着它倾斜角越来越大,整个轨道却更偏向圆形。接着,行星间的振**使其回到扰乱物附近,同时离心率变得越来越大。这些震**还能造成行星飞速掠过其主恒星,在每次近距离的交汇中,行星与主恒星互相影响彼此的潮汐。这些潮汐的强大阻力使得行星轨道迅速衰减。轨道的近日点变化不大,但远日点却急剧收缩。随着行星逐渐远离其扰乱物,振动减弱,行星的轨道重新变回圆形,但仍保持大倾斜角。
迄今为止,天文学家们已测算出91颗系外行星的轨道倾斜角,其中36颗行星的倾斜角超过20度,9颗行星逆向运转,可见这种大倾角和逆向运行的发生率之高是超乎想象,这就不是能够拿太空交通事故搪塞过去的,只有大质量的原始星核的存在才能够得以解释。