太阳系是怎么诞生的?

太阳系的诞生
无论宇宙多么壮丽辽阔,深邃莫测,我们总不能永远沉湎于
它的宏伟之中.我们必须回到我们生活的星球小家族中来,回到
我们的太阳以及环绕着太阳的星球上来.
到了牛顿时代,人们已经能够把地球和太阳系的产生作为整
个宇宙产生问题中的一个单独问题进行理智的推测.（太阳是构
成我们银河系的亿万颗恒星中的一颗,而地球是环绕着太阳的行
星中的一个.太阳系的示意图表明,太阳系是一个具有某些统一
特征的结构.


1．所有的大行星几乎都在太阳的赤道面上环绕着.换句话
说,如果你给太阳和它的行星做一个立体模型的话,你就会发现
这个模型可以做得正好放进一个非常浅的平底锅上.
2．如果你从北极星方向往下看太阳系的话,所有的大行星
都以相同的方向——逆时针方向绕着太阳转动.
3．各个大行星在绕太阳公转的同时,还绕自己的轴逆时针
方向的自转（有某些例外）；太阳本身也在逆时针方向自转.
4．这些行星离太阳的距离平稳地增加,而且都有近乎圆形
的轨道.
5．除了某些例外,所有的卫星都在其各自的行星赤道面上,
以近乎圆形的轨道沿着逆时针方向绕行星运行.
这张图中的普遍规律性使人们自然而然地认为,整个太阳系
是由某种单一的过程产生的.
那么,太阳系的生成过程是怎样的呢?到目前为止,所提出
的全部理论可以分为两类：灾变说和演化说.灾变说的观点是,
太阳是单独生成的,在其历史上的某个较晚的阶段,由于发生了
某个激烈的事件,结果使太阳得到了一个家族.演化说则认为,
太阳和行星,整个系统从一开始就是以有条不紊的方式形成的.
在18世纪,当时科学家们仍迷惑于圣经故事中的大洪水之类
巨大事件,因此认为地球的历史充满着激烈的灾变的假说颇受欢
迎.那么为什么不能有一次超级大灾变来开始这整个过程呢?法
国博物学家布丰1745年提出了一个流行的理论,认为太阳系是太
阳和一个彗星在一次相撞时产生的碎片生成的.
布丰当然指的是太阳和另一个具有相当质量的天体的碰撞,
他之所以称这个天体为彗星是由于想不出别的名称.我们现在知
道,所谓彗星,其实是被几缕极稀薄的气体及尘埃包围着的微小
天体.但布丰的理论仍然可以存在,只要我们给碰撞的天体另起
一个名字就行了.后来,天文学家们又回到了他的想法.
虽然如此,对某些人来说,把引起太阳系诞生的过程,设想
成一个时间很长很长的非灾变的过程,似乎更为自然,更少偶然
性.这种想法能以某种方式适应牛顿所提出的支配宇宙中星球运
动的自然定律.
牛顿自己曾经提出,太阳系可能是由稀薄的气体尘埃云在万
有引力的作用下逐渐凝聚而成的.当这些粒子聚集在一起时,引
力场会增强,从而会加速凝聚,最后,整个质量就会坍缩成一个
致密的天体（太阳）,收缩所释放的能量使天体变得炽热.
实质上,这是今天有关太阳系起源的一些最流行的理论的基
础.但是要回答一些具体问题,还有许许多多困难的问题需要解
决,比如说,高度离散的气体怎么能被非常微弱的引力聚集在一
起呢?近几年来,天文学家提出,这一起始力可能是一次超新星
爆发.设想一大片数十亿年来没有多大变化的气体尘埃云,恰巧
行经一颗刚刚爆发的超新星周围,爆发产生的激波和巨大的尘埃
气体风暴强行冲入那片接近宁静的气体尘埃云,增强了它的引力
场,开始了它的凝聚,结果就形成了一颗恒星.

示意图：形成太阳系的原始星云
如果这就是太阳诞生的方式,那么行星又是如何产生的呢?
它们是从哪里来的呢?1755年康德首先试图解答这个问题,1796
年法国天文学家兼数学家拉普拉斯也试图独立地解答这个问题.
拉普拉斯描述得比较详细.
根据拉普拉斯的描述,开始时这一大团收缩的物质云在旋转
着,越收缩旋转得越快,正如滑冰的人把手臂内收时旋转得更快
一样.（这种效应是由于角动量守恒：角动量等于转动物体的转
动惯量I和角速度ω的乘积,即Iω.对于不受外力作用的给定
物体,总角动量为恒量.当滑冰者双臂收回时,转动惯量I减小,
角速度ω增大,所以旋转得更快.）当这团旋转的气体尘埃云加
速后,按照拉普拉斯的说法,会从其快速旋转的赤道上抛出一个
物质环,从而减少了一些角动量,剩下的气体尘埃云就慢下来.
但是因为它进一步收缩,它就会再一次达到那个速度；使它抛出
另一个物质环.这样,正在聚结中的太阳就留下一系列的圆环——
轮胎状的物质云.拉普拉斯认为,这些圆环逐渐凝聚成行星,而
它们自身也按着这个过程抛出一些小圆环,形成它们的卫星.
因为根据这个观点,太阳系的起源乃是一团云或星云,同时
因为拉普拉斯曾举仙女座星云为例（当时还不知道仙女座星云是
一个巨大的星系,而被认为是一团旋转着的气体尘埃云）,所以
这种说法被称为星云假说.
拉普拉斯的星云假说看起来非常符合太阳系的主要特征——
甚至某些细节.比方说,土星的光环很可能是凝结不起来的卫星
环（如果把这些环聚集在一起,的确能够形成一个相当大的卫星）.
同样,在火星和木星之间的一条带区里绕着太阳运转的小行星,
可能是一个环的一些节段的产物,这个环未能聚合成一个行星.
而当亥姆霍兹和开尔文勋爵逐步建立起太阳的能量来自太阳慢速
收缩的理论时,他们的理论似乎也符合拉普拉斯的说法.
星云假说盛行了大半个19世纪,但在19世纪结束之前却出现
了明显的致命缺陷.1859年,麦克斯韦以数学的方法分析土星环,
发现由任何物体抛出的气体物质环只能凝结成像土星环那样的小
粒子集合体,永远不会形成一个固体,因为万有引力会把环拉散,
不让它凝聚成一个坚固天体.
角动量的问题也出现了.原来在太阳系中,行星所占的质量
仅略大于1．1％,却拥有总角动量的98％!单是木星就占有整个
太阳系总角动量的60％.太阳则只占原始星云角动量的极小的一
部分.那么,为什么几乎全部的角动量都集中在从星云分裂出去
的小环上呢?
由于下述情况,这个问题变得更加令人迷惑不木星和土
星都有一个卫星系统,看上去像是两个小型的太阳系,而且可能
是以同样的方式形成的,但是中心的行星体却保留了大部分角动
量.
到了1900年,星云假说已经毫无生气,以致任何演化的观点
似乎都不可相信.于是灾变说又登场了.1905年,两位美国科学
家钱伯林和莫尔顿用一个比彗星更好的字眼,把行星解释成是太
阳和另一颗恒星几乎碰撞的结果.这次相遇从太阳和那颗恒星中
拉出一些气体物质,留在我们太阳附近的那些物质云团后来凝缩
成一些小的星子,然后再聚成行星.这就是星系假说.至于角动
量的问题,英国科学家金斯和H·杰弗里斯1918年提出了一种潮
汐假说,他们认为,从我们太阳旁边经过的那颗恒星的万有引力
把被拖出去的气体物质从侧面猛拉了一下,从而使气体物质有了
角动量,如果这种灾变理论是正确的,那么行星系统将会是非常
稀少的.超新星爆发已经是很罕见的了,而分布遥远的恒星发生
碰撞的可能性还不到超新星的1/10000,据估计,根据这种理论在
银河系的一生中,能够产生太阳系这类的碰撞大概只发生过10次.
但是,在数学分析的检验之下,这些设计灾变的最初企图均
未成功.罗素证明,在任何这种接近碰撞中,行星在离太阳就像
实际那么远的地方就早毁灭了.此外,为了补救这一理论,人们
曾经设想了各种实际碰撞而不是接近碰撞的情形,也没有什么成
效,在20世纪30年代,利特尔推测有一次三颗恒星相撞的可能性；
后来,霍伊尔提出太阳曾经有过一个伴星,以后变成超新星消失
了,留下了现在这些行星.然而1939年,美国天文学家斯皮策证
明,在任何情况下,从太阳抛射出来的任何物质都会因过热而无
法凝聚成为星子,而只能扩散成稀薄的气体.这个结论似乎结束
了灾变的一切想法.（不过,1965年仍有一位英国天文学家伍尔
夫森认为,太阳可能是从一个松散的冷恒星那里得到它的行星物
质的,如此将不涉及极高温的问题）.
于是,在星子理论结束之后,天文学家们又回到了演化的观
点,而对拉普拉斯的星云假说另眼相看了.
这时,天文学家们对宇宙的了解已有了巨大的进展,现在他
们必须说明星系的形成.形成星系所需要的气体尘埃云,要比被
拉普拉斯设想为我们太阳系之母的云团大得多.同时,现在看来,
这样一些巨大的物质集合体会经过湍流而分裂成许多旋涡,而每
个旋涡都有可能凝结成一个独立的系统.
1944年,德国的天文学家韦扎克对这个构想作了透彻的分析.
他计算出,最大的旋涡含有形成星系的足够物质.旋涡在湍流收
缩期间会产生子旋涡,每个子旋涡也很大,足以产生一个太阳系
（包含一个或多个太阳）,而在太阳旋涡外围的亚子旋涡则可能
形成行星.于是,在这些亚子旋涡汇合处就像啮合的齿轮一样反
向运转,形成的尘埃粒子会互相碰撞并聚合在一起,先形成星子,
然后再聚合成行星.
在解决行星角动量的问题上,韦扎克的理论本身并没有超过
比它简单得多的拉普拉斯理论.瑞典天体物理学家阿耳文考虑到
了太阳的磁场.当年轻的太阳快速旋转时,它的磁场就如同制动
器一样使它减速,从而将角动量传递给行星.霍伊尔对这一观点
作了详细的说明,因而使修改后的韦扎克理论既包括万有引力也
包括磁力,似乎是迄今为止能够说明太阳系起源的最好的理论.