星雲假說：修订间差异
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=== 原行星盤 === |
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2016年7月9日 (六) 16:20的版本
| 恆星形成 |
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| 天體分類 |
| 理論的觀念 |
| 相關學門 |
 恒星主题
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星雲假說是在天體演化學的場合要解釋太陽系的形成與演化最被廣泛接受的模型。它建議太陽系是在星雲物質中形成的，這個理論最早是伊曼努爾·康德於1755年發表在自然史和天空理論。起初使用在太陽系的行星系統形成過程，現在更應用在宇宙的工作中[1]。被廣泛接受的變體現代星雲假說是太陽星雲盤假說（solar nebular disk model，SNDM）或簡單的太陽星雲模型[2]。這個星雲假說提供太陽系各種性質的解釋，包括行星軌道接近圓形和共軌道面，和它們的運動方向與太陽自轉方向的一致性。一些星雲假說的元素反映在現代的行星形成，但大多數的元素已經被取代。
依據星雲假說，形成恆星的雲是大質量和濃稠的分子氫－巨分子雲（giant molecular cloud，GMC）。這些雲是引力不穩定，並且物質在內部密集叢生的合併，然後旋轉、坍縮形成恆星。恆星形成是一個複雜的過程，總是先在年輕恆星周圍形成氣體的原行星盤。在某些情況下這可能孕育行星，但尚不清楚。這。因此，行星系統的形成被認為是恆星形成的自然結果。一顆類似太陽的恆星通常需要100萬年的十來形成，從原行星盤發展出行星系統還需要再1000萬年[1]。 － 原行星盤是餵養中心恆星的吸積盤。起初很熱，稍後盤面逐漸變冷，成為所謂的金牛T星階段；此時，可能是岩石和冰的小塵埃顆粒形成。顆粒最終可能凝聚成公里尺度的微行星。如果盤有足夠的質量，增長會開始失控，導致迅速 －100,000年到300,000年－ 形成月球到火星大小的原行星。臨近恆星，原行星會經過暴力的合併，生成幾顆類地行星。這個階段可能要經歷1億年至10億年[1]。
巨行星的形成是一個更複雜的過程。它被認為要越過凍結線才會發生，在哪裡元行星主要由各種類型的冰組成。其結果是，它們會比原行星盤內側的巨大許多倍。原行星形成後的演化並不完全清楚，有些原行星會繼續成長，最終達到5-10地球質量－臨界值，必須開始從盤中吸積氫和氦。由核心積累氣體在開始時是很緩慢的，需要持續數百萬年，但是在原行星的質量達到30地球質量（M🜨），它就會以失控的速率加速吸收。像木星和土星這樣的行星，被認為只要一萬年就能累積如此大量的質量。當氣體耗盡時，吸積就停止了。在形成的期間或形成之後，行星都可以長距離的遷移。冰巨星像是天王星和海王星，被認為是失敗的核心，形成得太晚而盤面幾乎已經消失了[1]。
歷史
有證據顯示伊曼紐·斯威登堡在1734年首次提出星雲假說的一部分[3][4] 伊曼努爾·康德，熟知斯威登堡的工作，在1755年進一步的製定理論，發表自然史和天空理論，在其中，他認為氣體雲，星雲，緩慢的旋轉、由於重力逐漸崩潰和合併，最終形成恆星和行星[2]。
一個類似的模式由皮埃爾-西蒙·拉普拉斯獨自發展出來，在1796年提出[2]他的Exposition du systeme du monde。他設想，太陽原來是擴展在整個太陽系的炙熱氣體。他的理論特色是收縮和冷卻的原太陽雲 －原太陽星雲。因為冷卻和收縮，它旋轉得更快和變得扁平，投擲出一系列的氣態圓環和物質；並且依他說，行星都從這些材料中形成。他的模型，除了更詳細和規模更小，其它都與康德類似[2]。拉普拉斯的星雲模型在19世紀占了主導地位，但它也遇到一些困難。主要的問題是太陽和行星之間的角動量分配。行星佔有99%的角動量，而此一事實不能用星雲模型來解釋[2]。因此，這個理論的行星形成部分在20世紀初有很大程度被放棄。
主要的批判在19世紀由詹姆斯·克拉克·麥克斯韋提出，他主張環的內層和外層有不同的旋轉速度，使得物質不能凝聚[5]。天文學家[[ 大衛·布儒斯特|大衛·布魯斯特爵士]]也駁斥說：誰說那些相信星雲理論的人說我們的地球是從太陽的大氣層拋擲出來，之後收縮形成水陸的球體，月球也由同一歷程被投擲出來。他認為根據這種觀點，"月球一定也從地球的水和空氣獲得了一些水和空氣，必須有一些大氣[6]。"布魯斯特宣稱，艾薩克·牛頓爵士的宗教信仰先前認為星雲思想是趨於無神論的，如他所說"新的系統從舊的系統發展出來，但不能從中分享神聖的權力，這看起來似乎很荒謬[7]。"
拉普拉斯模型的失敗激發科學家尋找它的替代品的。在20世紀期間提出了許多新的理論，包括湯瑪斯·張伯倫和林莫爾頓的微行星理論（1901年）、金斯的潮汐模型（1917年）、奧托·施密特的吸積模型（1944年）、威廉·麥克雷的原行星理論（1960年）和邁克爾·沃爾夫最後提出的捕獲說 [2]。在1978年，安德魯·普倫蒂斯復活了最初的拉普拉斯關於行星形成和發展的想法，發展成現代拉普拉斯理論[2]。但這些企圖都沒有完全的成功，許多提出的理論都只是描述性。
現在被廣泛接受的行星形成理論是太陽星雲盤模型（solar nebular disk model，SNDM），其發展可以追溯到蘇聯天文學家維克托·薩夫羅諾夫[8]。他的書原行星雲的演變與地球和行星的形成[9]，在1972年被翻譯成英文，對科學家們在行星形成路上的發展有長期持久的影響[10]。幾乎所有存在於行星形成過程的主要問題，在這本書中都有制定和解決。薩夫羅諾夫的想法在發現失控吸積的喬治·威瑟的作品中得到進一步的開發[2]。雖然最初只是適用於太陽系的太陽星雲盤模型，隨後被理論家認為可以適用在整個宇宙。迄今（2022年8月1日）我們在銀河系已經發現（5,125顆）系外行星，也都應用這個理論[11]。
太陽星雲模型：成就和問題
成就
恆星形成過程中，年輕星體周圍出現吸積盤是很自然的結果[12]。大約100萬的年歲時，恆星可能100%都有這種盤面[13]。這一結論受到原恆星和金牛T星周圍發現氣體和塵埃盤的支持[14]，對這些盤面的觀測顯示塵埃顆粒在短時間（千年）的尺度上，產生和增長1cm大小的顆粒[15]。
現在已經瞭解吸積過程中，如何1公里的微行星長成1,000公里的機構[16]。這一進程中，盤面內任何一處的微行星數量密度必須足夠到在一種失控的方式下進行發展。稍後的增長速度減緩，並繼續進行寡頭式吸積。最終的結果是，取決於與恆星的距離，形成不同大小的行星胚胎[16]。多種模擬的結果證明在原行星盤內側的胚胎會合併，導致形成幾顆地球大小的天體。因此類地行星的出生地被認為是現在極待解決的問題[17]。
目前的結果
吸積盤在物理學上遇到一些問題[18]，其中最重要的就是物質如何經由原恆星的吸積，失去其角動量。漢尼斯·阿爾文提出一個可能的解釋是，角動量在金牛T星的階段經由恆星風流出。這些動量經由盤內的黏滯應力攜帶至盤面外[19]。黏度通常是宏觀的湍流，但產生這種動盪的確切機制尚不清楚。另一種角動量流失的可能過程是磁阻尼，通過恆星磁場的自旋而傳輸入盤面的周圍[20]。負責流失主要過程的是盤面中的氣體黏滯擴散和光子的蒸發[21][22]。
微行星的形成是星雲盤模型未能解決的最大問題。如何由1cm大小的顆粒凝聚成1Km的微行星仍然是個謎。這個機制似乎是為什麼一些恆星有行星，而有些恆星卻一無所有，塵埃帶是這個問題的關鍵[23]。
巨行星形成的時間尺度也是一個重要問題。舊的理論並不能解釋其核心如何能從快速消失的原行星盤形成和積累足夠大量的氣體[16][24]。盤面的平均生命期通常小於1,000萬年（107）年，顯然小於核心形成所必需的時間[13]。對解決個問題已經有了很大的進展，目前的巨型形成模型可以在400萬年或更短的時間內形成木星（或質量更大）這樣的行星，很好的短於氣體盤面的平均壽命[25][26][27]。
巨行星形成的另一個潛在問題是軌道遷移。一些計算表明，與盤面的交互作用可以導致快速的向內移動，如果不停止，結果是這顆行星只能達到"中間的區域，成為質量是次木星的天體"[28]。更為最近的計算顯是在遷移過程中的盤面演化可以減緩這個問題[29]。
恆星和原行星盤的形成
原恆星
恆星被認為是在巨雲內部的冷分子氫－大約有30萬太陽質量（M☉）和直徑20秒差距大的巨分子雲－ 形成[1][30]。數百萬年來，巨分子雲會傾向坍縮和碎裂[31]。這些碎片隨後形成小而密的核心，然後坍縮成為恆星[30]。核心的質量範圍從太陽的一部份到數倍都有可能，並被稱為原恆星雲[1]。它們的直徑從0.01-0.1秒差距（2,000－20,000AU），和粒子密度大約是 10,000－100,000 cm−3[a][30][32]。
原行星盤
行星的形成
岩石行星
巨行星
吸積的意義
相關條目
註解
- ^ 相較於地球海平面的粒子密度是2.8×1019 cm−3。
參考資料
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外部連結
Proctor, Richard A. Nebular Hypothesis. The American Cyclopædia. 1879.
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