《蔚為奇談!宇宙人的天文百科》:太陽系的起源——歷史悠久的行星芭蕾舞

《蔚為奇談!宇宙人的天文百科》:太陽系的起源——歷史悠久的行星芭蕾舞
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我們想讓你知道的是

為什麼金星會跟其他行星的自轉方向相反?為什麼火星的自轉軸和黃道面有很大的傾角?地球月球系統的緣起又是什麼?這些問題的解答可能都來自它們與其他偏離軌道的物體發生碰撞之歷史。

文:葉永烜(國立中央大學天文研究所教授)

【歷史悠久的行星芭蕾舞:太陽系的起源】

太陽系如何形成?這是一段很複雜的過程。從近日對系外行星系統的觀察和研究,我們知道行星系統的形成是很普遍的現象,但每個行星系統都有自己的特點,而我們的太陽系可能更與眾不同。經過天文學家多年的努力,對其主要的形成過程已經大略瞭解。

孕育行星的搖籃:從分子雲到吸積盤

在銀河系的旋臂存在一團團的分子雲,分子雲內可以找到更緻密的高密度區,其中已經有些高質量的O/B型恆星發射出極強烈的X光和紫外線輻射,把它們周遭的氣體吹走。圍繞著這些O/B型恆星,有些低質量的恆星胚胎也在生成中。

這些低質量的恆星胚胎有個蝌蚪狀的構造,尾巴指向中間O/B型恆星的相反方向,這是這些原恆星產生的恆星風與O/B型恆星的輻射和高速流作用引發的結果。如果再細看,可以辨認出一個扁盤狀結構和一對噴流。這些扁盤中含有氣體和塵埃粒子,行星便是從中生成。

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圖1:恆星可依光譜進行分類:藍色O型、藍白色B型、白色A型、黃白色F型、黃色G型、橘色K型、紅色M型。O/B型恆星的溫度、亮度較高,通常位於活躍的恆星形成區, 如螺旋星系的旋臂。(Credits: Rursus)

ALMA 無線電波陣列 [1] 的極高解析度觀察帶來更多重要的訊息。至今最令人驚奇的便是看到「HL Tauri 原恆星」的吸積盤中有幾圈空隙,顯示這是行星積生的區間。然而,這些天文觀察結果來自不同的天體和系統,代表不同時間尺度的現象。因此還需要在實驗室中對隕石、從月球和其他星體採集到的表面物質標本等進行化學分析、數值模擬和太空探測,才能建構出一個太陽系來源的初步理論模型。

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圖2:位在獵戶座分子雲中的原行星盤 [2]

超新星爆炸促使原行星產生?

首先,太陽極可能是在一個大小夠大、並容納至少1~2個O/B型恆星的星團中形成。O/B型恆星的壽命很短,約莫經過1,000~2,000萬年便到了演化的盡頭,瞬間發生能量極大的超新星大爆炸。爆炸時產生的壓力波會擠壓到旁邊的分子雲,促使它們重力塌縮,成為原行星。

天文學家在最原始的隕石標本中發現其中一項證據:有些小粒塊的成分中存在超量的鎂26(26Mg)[3],而這些鎂元素應該就是來自超新星爆炸所產生的鋁26(26Al)。由於鋁26衰變為鎂26的時間大約只有75萬年,所以在這段時間內形成的行星胚胎,內部都會受到強烈的輻射加熱而熔化;而在數百萬年後才生成的行星胚胎則不會受到鋁26衰變的影響。

旋轉!吸積!逐漸成形的盤狀結構

由於分子雲本身在旋轉,在遵守角動量守恆 [4] 的情況下,旋轉軸的垂直方向會形成一個扁盤。它的成分以氫(H2)為主,氦(He)為次要,其他則是少數的重元素。這意味著原恆星被一個由氣體和塵埃粒子所組成的吸積盤(或稱為太陽星雲)所包圍。在分子雲的重力塌縮尚未告一段落時,還會有更多物質繼續進入吸積盤,經過黏滯作用向吸積盤的內、外部擴散。

這段吸積過程除了傳輸質量之外,也會傳輸能量和角動量。向內注入的物質,除了一部分被原恆星吸收外,還有一部分會因為受到電磁作用影響, 沿著恆星自轉軸的方向高速噴出,形成兩極噴流(bipolar outflow)。靠近原恆星周邊區域的溫度可高達2,000K,在此高溫條件下凝結的固態粒子亦會因為電磁作用而四散到太陽星雲外圍。

從觀察結果可以得知,當分子雲的物質耗盡後,兩極噴流亦會停止。而在這個階段,圍繞恆星的吸積盤因為恆星風和強烈的光蒸發效應 [5] 亦漸漸散逸。陪伴著原恆星的塵埃粒子盤所產生的紅外線輻射,通常在300萬~500萬年內便會消失。當大量氣體尚存在太陽星雲中時,木星和土星這兩個巨型氣體行星必須形成。因為有幾個關鍵步驟還未明瞭,理論模型尚未確定整個過程如何發生。但基本上,我們可以有如下幾個假設和重要階段的劃分。

(1)最小質量太陽星雲模型

此模型主張整個太陽星雲的質量,剛好相應於用以建構行星系統的物質。一開始,原始太陽的太陽星雲(包括氫、氦和塵埃粒子等物質)有約0.5倍的太陽質量。當行星開始形成,太陽星雲表面的溫度 (T) 分布主要由太陽輻射能量的輸入多寡決定,如以R表示相對日心的距離(以天文單位為單位),則TR之間的關係為

T = T0R-b

其中T0= 300 (K) 是R = 1 (au)、b = 0.5 時的溫度。

(2)固態粒子凝結和沉澱作用的過程

在垂直太陽星雲盤面方向的溫度梯度,取決於塵埃及氣體的不透明度及輻射能量的傳輸,愈往內部,溫度愈高。在太陽星雲盤面上、下溫度較低的區域,物質可以從氣態凝固為固態,而物質所在位置的溫度條件會決定其礦物成分。這些半徑小於毫米的微小固態粒子受到太陽的重力作用,逐漸向扁盤中心下沉。這種沉澱作用使得太陽星雲發展出雙層結構,在固態粒子形成的薄盤上、下都蓋上一層氣體分子組成的厚盤。

(3)小石塊吸積作用

這些微粒都在克卜勒軌道 [6] 繞著原始太陽運行,相鄰的粒子之間相對速度非常小,所以互相碰撞後可以利用化學力連結在一起,慢慢增大。但從在實驗室或太空站中的實驗可以得知,當粒子長到毫米大的時候,互相碰撞後便會反彈而不能連結在一起。也就是說,當太陽星雲中的物體繼續增大,會遇到一個瓶頸。

經過多年的研究,最近有個理論帶來新的突破,指出由於壓力梯度的影響,太陽星雲的氣體繞著中心太陽旋轉的速度會比克卜勒速度 [7] 慢。因此固態粒子盤面和氣體的相對運動會有雙束流不穩定性,繼而產生湍流和漩渦。這種現象在理論模型發展初期早有論述,但因電腦計算機的快速進步,非常複雜、精細的數值模擬到了今日都變成可行。