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银河系的形成和演化,月球的起源之谜

来源:http://www.fzplotter.com 作者:7249澳门金莎娱乐场 时间:2019-10-23 01:13

1 银河系的研究简史

“月球起源”是个十分古老的问题,但今天天文学家对此仍然是众说纷纭。18世纪以来的月球起源假说归纳起来,可以分为三类,即同源说、分裂说和俘获说。

太阳系是由受太阳引力约束的天体组成的系统,它的最大范围约可延伸到1光年以外。太阳系的主要成员有:太阳、九大行星、无数小行星、众多卫星,还有彗星、流星体以及大量尘埃物质和稀薄的气态物质.在太阳系中,太阳的质量占太阳系总质量的99.8%,其它天体的总和不到有太阳的0.2%。太阳是中心天体,它的引力控制着整个太阳系,使其它天体绕太阳公转,太阳系中的九大行星(水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星)都在接近同一平面的近圆轨道上,朝同一方向绕太阳公转。

早在15世纪中期,法国大主教尼古拉就已猜测夜空中的众多繁星都是十分遥远的太阳。1584年,意大利思想家布鲁诺进一步明确提出宇宙无限的概念,并认定太阳只是一颗普通的恒星。不过,鉴于这些天才的猜测缺乏实测科学依据的支持,学者们并没有给以充分的关注。

“同源说”是最早出现的一种月球起源假说,它认为月球和地球具有相同的起源。“分裂说”则认为在太阳系形成初期,地球还处于熔融状态时,地球的转速相当高,以致于有一部分物质被甩出去后形成了月球。甚至有人认为太平洋就是月球分出去后留下的疤痕。继同源说和分裂说之后提出的"俘获说"认为,月球和地球是在不同的地方形成的,一次偶然的机会,地球把运行到附近的月球俘获,成为自己的卫星。这三种假说都获得了一些实验的支持,但在某些问题上又都难以自圆其说。

九大行星中,一般把水星、金星、地球和火星称为类地行星,它们的共同特点是其主要由石质和铁质构成,半径和质量较小,但密度较高。把木星、土星、天王星和海王星称为类木行星,它们的共同特点是其主要由氢、氦、冰、甲烷、氨等构成,石质和铁质只占极小的比例,它们的质量和半径均远大于地球,但密度却较低。冥王星是特殊的一颗行星。 行星离太阳的距离具有规律性,即从离太阳由近到远计算,行星到太阳的距离a=0.4+0.3*2n-2其中n表示由近到远第n个行星 地球、火星、木星、土星、天王星、海王星的自转周期为12小时到一天左右,但水星、金星、冥王星自转周期很长,分别为58.65天、243天和6.387天,多数行星的自转方向和公转方向相同,但金星则相反。 除了水星和金星,其它行星都有卫星绕转,构成卫星系。

对银河系本质的认识首先归功于望远镜的问世。1608年,荷兰人利伯希(Lippershey H)在一次偶然机会中发明了望远镜。1609年,伽利略率先把自制的望远镜对准银河,他发现银河实际上由无数颗恒星构成,只是因为这些星星既多又暗,且密集在一起,肉眼无法加以分辨,在晴朗夜空中形成了一条模糊而又不规则的银白色光带——银河。1750年,英国天文学家赖特正确指出,银河和天空中所有的恒星构成一个扁平状的巨大恒星系统,但他并没有给出观测证据。

80年代中期,一位美国天文学家提出了一个崭新的、摆脱了上述三种假说框框的月球成因假说。该假说认为,在太阳系形成早期,大约在相当目前地-月系统存在的空间范围内,形成了一个原始地球和火星般大小的天体,它们在各自的演化中均形成了以铁为主的金属核和以硅酸盐组成的幔及壳。一个偶然的机会这两个天体撞在了一起,地球被撞出了轨道,火星大小的天体也碎裂了。飞离的气体、尘埃受地球的引力作用“落”在地球的周围,通过吸积,先形成几个小天体,以后像滚雪球似地形成了月球。这种假说在某种程度上兼容了三种经典假说的优点,并得到了一些地质化学、地质物理学实验的支持,但还没有最终确认。

在太阳系中,现已发现1600多颗彗星,大多数彗星是朝同一方向绕太阳公转,但也有逆向公转的。彗星绕太阳运行中呈现奇特的形状变化。 太阳系中还有数量众多的大小流星体,有些流星体是成群的,这些流星群是彗星瓦解的产物。大流星体降落到地面成为陨石。 太阳系是银河系的极微小部分,它只是银河系中上千亿个恒星中的一个,它离银河系中心约8.5千秒差距,即不到3万光年。太阳带着整个太阳系绕银河系中心转动。可见,太阳系不在宇宙中心,也不在银河系中心。 太阳是50亿年前由星际云瓦解后的一团小云塌缩而成的,它的寿命约为100亿年。

首先通过实测探究银河系结构的是著名英国天文学家、天王星发现人威廉· 赫歇尔(Herschel W)。从1770年代起,赫歇尔开始用恒星计数方法研究银河系结构。在几十年内所作的1083次观测中,他总共计数了117,600颗恒星,就当时的条件来说工作量非常大,赫歇尔为之付出了极大的心血。1785年,赫歇尔在观测的基础上加上若干理论假设,建立了天文学史上的第一个银河系模型。

赫歇尔的工作具有重大历史意义,它证实了作为一个恒星系统的银河系的客观存在,使人类的视野从太阳系范围大大地拓展了。这是继哥白尼建立日心说之后,天文学发展史上的又一个重要里程碑,赫歇尔因此被后人誉为恒星天文学之父。在赫歇尔的模型中,太阳仍然位于那时所认识的宇宙范围——银河系的中心。基于赫歇尔当时在天文界中有着很高的声望,这一不正确的概念维持了130余年。

1830年代发明了照相术,荷兰天文学家卡普坦(Kapteyn J)首先意识到这可以为天文学家提供一种全新的观测手段,他正确地认定,借助照相方法重做恒星计数工作,可望得出比赫歇尔更好的结果。经过不懈的努力,卡普坦于1922年发表了他的银河系模型:银河系主体具有盘状结构,直径5。5万光年,厚1。1万光年,包含了474亿颗恒星;太阳位于靠近盘中心的位置上,离中心约为2000—2300光年,世人称为“卡普坦宇宙”。遗憾的是,尽管卡普坦曾正确认识到“太阳到系统的中心必定有相当大的距离”,但他最终还是放弃了。

正确判定太阳在银河系中位置的工作是由美国天文学家沙普利(Shapley H)完成的。1918年,沙普利研究了69个球状星团的空间分布,发现有90%位于银河系中心方向一侧,并根据球状星团分布这种“一边倒”的观测现象,正确推断太阳并不居于银河系中心,而是处在比较靠近银河系边缘的位置上,这一结论为深入研究银河系结构奠定了基础。在沙普利的模型中,太阳位于距银河系中心约5万光年处,而全部球状星团涉及的空间范围约为30万光年,这个数字实际上是偏大了。这时,距赫歇尔提出的第一个银河系模型已过去了130余年。

根据近代天文观测和研究可知,银河系是一个旋涡星系,年龄估计在100亿年以上,总体结构大体可分为4部分,即银盘、核球、银晕和暗晕。银河系总质量(指不计暗晕部分,下同)约为1。4×1011太阳质量,其中以恒星形式出现的约占90%,由气体和尘埃组成的星际介质占10%左右。

银盘是银河系中恒星和星际介质分布的主体,集中了银河系质量的85%—90%。银盘呈轴对称和平面对称的扁平圆盘状,直径8。2万光年。太阳到银河系中心的距离约为2。6万光年,离银盘对称平面仅为20—30光年。银盘中心厚,边缘薄,太阳附近银盘厚度约3,300光年。

核球是位于银河系中心部分的恒星密集区,大致呈扁旋转椭球体状,长轴约1。3—1。6万光年,厚1。3万光年左右。核球质量约占银河系质量的5%,主要成分是老年天体,且越接近核心区,恒星密度越高。银河系中心附近有一个至少含5个子源的强射电源人马A,明亮的银核即位于其中的1个子源内,直径接近5光年,质量约是太阳质量的几百万倍。一种流行的观点认为,在银核位置上有一个超大质量黑洞,不过目前它并没有处于剧烈活动期。

包围着银盘的是一个物质平均密度比银盘低得多的区域,称为银晕,大体上呈球状,直径约10万光年。银晕涉及的范围比银盘大得多,但因物质分布非常稀疏,故质量大约只及银盘的10%。银晕中主要有两类天体,即老年恒星和球状星团,此外还有极少量的气体。

银晕外有一个范围更大的物质分布区,这就是暗晕,其成分是暗物质,尺度可能是银晕的10倍,质量可能高达银河系其他部分质量总和的10倍。暗晕的存在是根据观测资料间接推定的:如果银河系物质主要集中在银盘和银核,则离中心越远处,恒星绕银心的转动速度越慢,而实测结果却大相径庭——在太阳附近以及更远的地方,恒星转动的速度大致保持不变,甚至还略有增加。由此推断在银河系外围必定存在大量性质尚不很清楚的不发光暗物质,它们构成了暗晕。

2 两种可能的演化途径

在沙普利之后的几十年时间内,随着天文观测研究工作的深入,特别是射电天文手段的面世,人们对银河系结构取得了较为全面的认识,开始探究银河系的运动学和动力学状态,并进而探讨银河系的形成和演化机制。

银河系天体的运动状态取决于银河系引力场,也就是取决于银河系的物质分布状况。恒星在银河系内的运动形式既不像太阳系中行星的开普勒运动,也不是角速度处处相同的刚体自转,而是所谓“较差自转”,即不同银心距的恒星有不同的转动角速度。这一概念首先是由瑞典天文学家林德伯拉德(Lindblad B)于1925年提出的,两年后经荷兰天文学家奥尔特的工作而得以完善。在上述工作基础上,奥尔特于1932年建立了第一个近代银河系模型,并开创了用动力学方法解释恒星运动学状态的研究途径,称为奥尔特-林德伯拉德理论。

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