天文学导论第5讲太阳系矮行星小天体及太阳系形成.ppt

Collisions in Solar system Comet Shoemaker-Levy 9 Strikes Jupiter (July 16, 1994)。……………………….2009年木星又被撞了! 彗木相撞 6。太阳系的形成 角动量守恒定律 星云假说 太阳系形成的主要过程 太阳系知多少？ 所有行星轨道基本位于同一平面内 行星椭圆轨道椭度轻微，几乎近似为圆轨道 行星公转自西向东 大部分行星自转也自西向东 自转轴相对于轨道面的倾斜度小（金星和天王星是例外，可能碰撞引起） 行星和小行星的自转速率相似： ~5 -15 小时，除非潮吸力使它们变慢 太阳系知多少？ 太阳自转同样自西向东，且其自转轴基本垂直于行星轨道面（或太阳的赤道几乎位于行星轨道面内） 行星的化学成分不同，大致随到太阳的距离变化：内行星致密、富含金属，而外行星体积大、富含氢 小行星的化学成分和地质结构不同于行星和其卫星 行星-卫星系统类似于太阳系 彗星来源的柯伊柏带和奥尔特云 行星包含太阳系大约90%的角动量，但太阳却包含太阳系超过99%的质量 星云假说 Nebular Hypothesis 星云假说是关于太阳系起源的学说，最初是由康德Kant 和拉普拉斯Laplace 在18世纪提出的 目前关于太阳系形成的理论是在此基础上做出了具体的改进 其中的一个关键物理概念是角动量守恒 角动量 Angular Momentum 围绕一个点转动的物体（或自转的物体）拥有角动量 宇宙中的角动量是严格守恒的，可以转移，但不能创造或消灭（对孤立体系） 角动量守恒的推论 一孤立体系的角动量L 是常数? 转动（自转）速度v 和距离（延展半径） r 成反比关系： v = L / (mr) 对自转的物体，如果半径减小，为了保持角动量守恒，则自转必须加快。反之亦然 1. 分子云核坍缩 分子云核：由气体和尘埃组成的巨大星际云，尺度~1光年 自引力克服气体压（使云膨胀）而坍缩 坍缩的初始触发： 超新星冲击波； 旋涡星系密度波； etc… 巨分子云裂变后的其中一块分子云核：太阳（原始）星云 分子云核拥有巨大的角动量 由于附近恒星爆发或与其它星云碰撞而具有一定的自转 由于分子云核非常延展，所以既使微小的自转也使分子云核拥有巨大的角动量 2。分子云核自转随坍缩加快 分子云核的初始自转非常缓慢 由于角动量守恒，当分子云核坍缩时其自转必定加快 例子 假设太阳原始星云尺度大约1光年，即1016米。自转缓慢，假设自转周期为106年 如果坍缩为太阳大小，即1.4*109米，或者说是星云原始大小的千万分之一（10-7），那么其自转速度为原始的5*1012倍，完成一次自转只需0.6秒，是太阳的真实自转的3*106倍 为了太阳的稳定，如此快速自转要求太阳的自引力必须增加大约2*106倍 事实上，分子云核的大部分角动量滞留在行星上……。因此，分子云核的角动量比从其中所形成的太阳的角动量大得多 3. An accretion disk forms 形成吸积盘 如果没有自转（角动量），分子云核自然坍缩为一个球 对于自转的分子云核，因为离心力平衡引力，坍缩的程度具有方向性：自转使得垂直于自转轴方向上的坍缩减慢，但是不影响沿自转轴方向的坍缩，所以自转的分子云核渐渐变得扁平 最终分子云核坍缩为一个原始恒星和一个吸积盘（称为原行星盘） 因此自转的分子云核坍缩为一个盘而不是直接坍缩为一个恒星 Animation 4. 小物体成长为大物体 在原行星盘内，气体的运动将较小的颗粒吹入较大的颗粒内 通过吸附较小的颗粒，较大的尘埃颗粒变得更大 从只有几微米大小开始，稍微大一点的尘埃渐渐生长 当尘埃颗粒增长为大约100米大小的时候，物体的增长率减小，但100米大小的物体会结合形成更大的物体。此时的结合必须轻微，否则猛烈的碰撞会使它们再裂解为许多小碎片。在物体增长的阶段，这种反过程是常见的 星子：行星的种子 当物体增长为约1公里大小的时候，物体的质量足够大因而其引力变得重要并开始起作用。 1千米大小的物体通常称为星子（planetesimals，literally “tiny planets”） 星子的增长加快，较大的星子很快吸引完其轨道附近的其它小物体 通过吸引，引力使得星子最终成长为原行星（protoplanets） 原行星的增长方式：凝聚?碰撞?吸引 5. 原行星盘：内热外冷 当下落气体撞击吸积盘后，原子的（冷）运动变为随机热运动，下落气体的引力能转变为热能，到达内盘的物质因为在原恒星的引力场中走得更远而转化更多热能，使内盘更热 原太阳的热辐射（引力能转化为热能，非热核反应的光度是目前太阳的许多倍）加热内盘 挥发性的物质（冰）只在外盘中得以保留下来 难熔物在高温下仍保持固态，所以内盘仅有