七十年代面目一新的太阳系起源论

牛顿力学闻世几十年后的十八世纪中叶，著名哲学家康德首次提出了科学的太阳系起源论。这就是当今的康德 - 拉普拉斯星云说。

但是在1886年，星云说遭到了夫谢（法国）的反驳，随之销声匿迹。遭遇说取而代之登上了宇宙天体物理学的论坛。遭遇说虽然提出了某些变相的论点，但都认为“行星是由离开太阳附近的恒星潮汐力吸收脱离太阳表面的物质凝固后形成的”。

这种观点乍看上去好像万事万物都是按照客观规律发展起来的，但是，到了1939年，斯比查（美国）对这一观点提出了具有决定性意义的反驳意见。他认为，被分离出来的太阳表面物质温度高达6，000°C，不可能凝固成为行星。打这以来，许多学说又不断地产生和消失。

六十年代可以称之为天体物理学的黄金时代。星的结构、形成和发展的理论发展迅速日新月异。而且在短短的十年时间里，观测宇宙天体的技术也有了惊人的进展，相继发现了3度K黑体辐射、脉冲等等。这些重大发现促进了天体物理学的发展。进入七十年代以后，太阳系起源论又以新的论点得到新的评价，十年来，它以崭新的面貌出现在我们面前。

太阳系形成过程应考虑为星形成过程中的一个特殊例子，并注意到像迄今的学说那样，它不仅仅只着眼于单一的过程，而且必须正确地应用从原子、分子的反应起到重力（引力）作用止的大量的物理学和化学的基本法则。在这一意义上也可以说，从1970年起太阳系起源论才好不容易地步入了科学领地。

分子云收缩向太阳系星云发展

太阳系中存在着以行星为主体的各种大小不等的卫星和水星等天体。但是即使将这些天体全部总合起来，其质量也不过是太阳的0.13%。太阳系中的绝大部分质量均由太阳本身主宰着。所以，要了解太阳系起源必须首先要知道太阳本身或星诞生的极其一般的方式。

近几年来太空观测技术的发展迅猛异常，我们已经能够观测到至今还在不断生成的新星。一旦用射电望远镜对准冬季著名的猎户星座大星云，就立即能接收到各种频率的电波。将这些电波进行仔细分析研究之后就可以发现，电波并不是从整体星云中发出的，而是从一些极其零碎不成体的部分迸发出来的。电波来源于一氧化碳和氰酸等分子，这些很小的电波发射源被称为分子云。

分子云的任何物质都可以通过详细分析分子云放出的电波以后搞清楚。根据分析所得的结果，分子云的密度比周围高出100万倍之多，它是一种以氢和氦为主要成分的星云气团。而且绝大部分分子云均收缩集中于一点。分子云小而密度高、收缩并高度集中，进而正在不断地从猎户星云中生成出大量的新星，我们所观测到的刚好是分子云现在仍然在不断产生着星星的一瞬间。也可以说，我们在那里看到了太阳过去的面目。

46亿年前，像猎户星云的分子云那样，有一分子云开始收缩，当其大部分气体集中成点状之后产生了原始太阳。并且在分子云四周残留下来的部分气体在刚诞生不久的原始太阳周围形成了薄而辽阔的圆盘状星云。它成为整个太阳系内天体的母体，称之为原始太阳系星云或独立太阳系星云。

从尘埃、粒子到微行星

当然，太阳系星云本身是不可能成为行星的。这是因为构成星云的主要物质是氢和氦两种气体；构成行星的物质是铁和镍等金属，而且是石质物质之类的固体物质。漂浮在太阳系星云中的这类物质是一些大小只有0.1 ~ 1微米的微尘（微粒子）。这些固体微粒子集结之后不久就形成了行星。但是该量仅占整个星云量的0.3%。

上面所述的是地球等内行星领域中的星星，但它不同于远离小行星轨道的太空的情形。在远离太阳的宇宙空间，太阳光极其微弱，太阳系星云的温度很低。例如，在木星轨道附近，温度比地球轨道低100°c以上。因而在内行星领域内水呈气体状态，即也能以水蒸气形式存在；小行星轨道以远，水则以固体状态冰的形式表现。除了水以外，氨和甲烷在低温领域中也能变成固体。在这一广义中说，冰也可以成为行星的物质材料。

由于这一原由，外行星领域中的行星物质材料约4倍于内行星领域。这就是木星、土星等巨大行星形成的主要原因。关于这一点后面还将谈到。

浮游在星云内的尘埃（固体微粒子）如同漂浮在水面上的花粉，在受到来自星云气体分子的撞击以后发生字形布朗运动，并偶尔互相碰撞，渐渐向巨大粒子发展。同时，这些固体粒子向太阳系星云的赤道面沉淀。这与浑浊的河水中所含的砂和泥土沉淀后河水变清的情形十分相似。它以特殊的形式不断地推进粒子沉淀，由固体分量集积而成的薄固体层造就了星云赤道面。

我们把它叫做固体层。当固体层的厚度达到太阳系星云厚度的1/100，000时就会发生突然变异，薄固体层宛如破碎了的录音磁带盘那样四分五裂变成粉末。由于重的固体物质集中在薄固体层中，因而增强了自身的引力，从而集积成团块。

新产生的分裂块由大小为0.1 ~ 10厘米左右的砂、金属以及冰集合而成，分裂块的半径为几公里，重量约达到10¹⁸克上下，在整个太阳系中这种团块多达1 ~ 10兆个，可称得上庞然大物了。就体积大小而言，可与火星的卫星佛勃斯和苔莫斯或水星的芯核相匹敌，成为一个独立的天体。因此人们将这种分裂块称为微行星。

微行星位于太阳系星云气体之中，围绕在太阳周围运转，数量多得惊人。微行星之间常常发生冲撞，然后合二为一。我们将这种现象叫做撞击合体，微行星在经过反复不断的撞击合体过程中逐步发展壮大。

经过几百万年以后形成的原始地球

我们离开一下话题。两颗微行星互相撞击时合为一体这一现象与我们的日常经验是背道而驰的。众所周知，纵使两块石块相碰无论如何也不会变成一块石块。两石块相碰的结果，石块只会被弹回去，而且假定两石块在高速中相碰，它们不但不会合为一体，只能被撞碎变成粉末。

微行星互相撞击的情形与石块不同。因为微行星绝对不是岩石块，它是由极微小的砂和冰聚集而成的。从而可以说是很渺小的，但微行星已成为一种独立天体，它所产生的引力是合二者为一体的重要条件。

在两颗微行星撞击的场合，撞击后产生的能量由于砂和冰的摩擦作用而大为减弱，进回力大大下降。尽管如此，自然还可能会有部分飞散的砂和碎石被弹回去。但是，这些飞散出来的物质在微行星的引力作用下又能被重新吸回来。这样，只要发生撞击两颗微行星就有合为一体的可能性。

可是，微行星在过高速度下互相撞击时会彻底崩裂飞散、即使依靠微行星的引力也不可能使这些物质重新返回。然而幸运的是微行星处在星云气体之中，不断受到来自星云气体的阻力。在星云气体的阻力效应下，微行星宛如被挂上制动闸一样，不可能以自体被彻底瓦解那样的高速度运行。

让我们再回到话题上来吧！重要的一点是，可以认为在微行星场合，撞击即是合并。从这一角度考虑，利用电子计算机计算了微行星向行星发展的过程。计算结果表明，以地球为例，由微行星发展成为地球尺度的行星需要几百万年，并了解到在木星轨道附近，由微行星发展到约5倍于地球质量的原始木星大约需要2，000万年。不管怎样，与太阳系的年龄46亿年相比，发展成为行星的时间极其短促，都不过是一眨眼的工夫。

太阳系星云气体中的绝大部分微行星在经过反复不断地撞击之后逐渐发展壮大，几百万年以后演变成为目前地球尺度的行星。这就是地球形成的历史。因此，地球是在太阳系星云气体中诞生的，这一论点对于搞清楚地球诞生以后的发展历史具有十分深远的意义。这是因为随着微行星体积的不断增大其引力也随之增强，而且大量星云气体被正在不断发展壮大过程中的地球吸引，星云气体紧紧地粘附在原始地球周围。这就是包裹在地球表面的大气，称之为原始大气。

原始大气和现在的大气一样也给地球起到了保温作用，大概是由于这一缘故才使不断发展壮大的原始地球保持着极高的温度。根据仔细计算，刚诞生的地球表面保持着3，000℃以上的高温！总之，地球是在灼热的状态下诞生的。在如此高的温度下，不管是岩石还是金属无疑都会被溶化成液体。

现在的地球具有铁、镍芯核和由石质物质构成的“罩子”这样的双重结构。长期以来，地球芯核的成因一直是地球物理学上的不解之谜。但假设考虑到地球诞生之际正处在高温灼热状态之中时岂不可以很容易解开这一谜题了吗？

冰是造成外行星体积庞大的原因

原始大气是原始行星保持高温的主要原因，现在早已不复存在。原因是在太阳形成后的2，000万年前太阳正处在氢核融合之际、被称之为T. 塔乌里阶段的进化阶段中。此时原始太阳吹出异常猛烈的太阳风和紫外线、太阳系星云气体和地球原始大气均被强大的紫外线全部掠走的缘故。

被刚刚诞生的原始地球吸引的原始大气量为地球质量的3%，实际达到目前大气量的20万倍。如换算成表面气压则达到900毫巴。虽然原始大气存在本身并非仅仅局限于地球，但大气量的多少却依赖于行星的质量。行星越大引力越强，被吸引的星云气体量也越多。

原始木星和原始土星的质量约为地球的5 ~ 10倍，因而被吸引的原始大气量也多，甚至超过原始行星本身的质量。在这样的状态下被吸引的大气又成为产生引力的原因，吸引着愈来愈多的星云气体。

于是，作用于原始大气的力的平衡遭到破坏，由氢、氦构成的大气在原始行星表面的重力丧失殆尽。这样一来，大量的氢和氦围绕在由岩石、金属和冰构成的原始行星周围形成双重结构，造就了巨大的但比重又极小的行星。这就是木星、土星等木星型（巨大）行星。总之，木星型行星是一种外侧包裹着超重大气的原始行星的产物。

实际上，冰是造就木星和土星变得如此庞大的首要原因。外行星领域的太阳系星云的温度极低，在太阳系星云内大量的水及甲烷、氨分子变成固体（冰）后增加了行星物质材料。巨大的原始行星也由此而生，从而结果，巨大的原始行星吸引了连自身也支撑不了的巨量星云气体。在这一意义上可以说，外行星领域的行星竭尽全力将自身造就成为巨大的行星。

土星在经过几亿年之后才发展成现在的样子

至此所述的行星系形成概貌不但解答了以地球为首的内行星，而且还说明了巨大的木星型行星的形成过程——一切事物都能作出令人信服的回答。不仅如此，以这一概貌为立足点，对于行星以外的太阳系天体诸如卫星及小行星、水星等都能极其自然地答出它们起源的根由。

那么现在的太阳系起源论是否至此已经天衣无缝无懈可击了呢？否。前面已经讲过，行星是在小行星不断撞击合体的反复过程中形成的。例如地球的形成要经过几百万年，木星则经过2，000万年的历史长河之后才演变成现在的面目。根据计算，土星和天王星形成的时间更长，它们在经过1 ~ 10亿年之后才成为现在我们所看到的模样。

问题是在海王星场合。如用同样方法来求其形成时间的话，所得的结果是，在将近100亿年以后海王星才告形成。因此，用太阳形成论来佐证现存的海王星的发展过程显然是荒谬的。

但是也不能由此说至此所述的太阳系形成的概貌都站不住脚。在展开这一理论时可使用各种各样的简便手续和假设。在由此获得的结果中必须准备它出现2倍乃至1/2左右的不定值。待今后将这些不定值一个个地搞清楚之后，解开海王星形成之谜无疑是指日可待的。

只是下面的问题不能够作出明确的回答。就是在冥王星轨道或其外侧，发展成为地球尺度的行星需要200亿年以上的时间。因此即使考虑理论的不定性，但仍然可以说，在冥王星外侧基本上不可能有比我们的月亮还要大的行星。

最后，我想就冥王星再说几句。从冥王星轨道是一种陷入海王星轨道内侧的特异行星轨道这一观点考虑、也可以认为冥王星可能曾经是海王星的一颗卫星。但是我认为冥王星与其他行星一样，当它在成为独立行星之后才开始发展的。这样考虑也可以说明冥王星所具有的独特性。

外行星的体积太小是由于它们远离太阳、形成星球太费时间的缘故。因而外行星不可能大幅度发展，从而像木星和土星不能吸引太阳系星云气体的情形一样。同时，由于气层很薄冥王星形成时也没有受到气体的阻力，所以冥王星当然也不可能遇上取圆形轨道运行的命运。

再则，冥王星受到来自巨大的海王星的摄动，故取长圆形轨道运行。

太阳系形成论进一步发展就不仅能够阐明单独生存的太阳系的来龙去脉，还可以作出新的预言。到那时，太阳系起源论无疑将作为一门名副其实的科学高高地耸立在世界之巅。

[《科学朝日》（日）1982年11期]