太陽系6大神秘事件:太陽最終如何終結

  46億年前,銀河系中某個不起眼的地方正在孕育著什麼。星系中瀰漫的氫和氦以及固體塵埃開始凝聚並且形成分子。由於無法承載自身的質量,這一新形成的分子雲便開始了坍縮。在不斷加熱和混合的過程中,一顆恆星誕生了。它就是我們的太陽

  目前我們還不確切知道到底是什麼觸發了這一過程。也許這一切都源自於近鄰恆星爆炸死亡時所產生的激波。而類似的恆星死亡也不是非常罕見的事件。自從130億年前銀河系形成以來,類似的事情已經發生了無數次。而通過望遠鏡我們可以看到這些事件仍然在繼續發生著。但是作為恆星來講,太陽實在是沒有什麼特殊的。

  然而,據我們所知太陽卻是唯一的。從誕生太陽的薄盤中形成了八顆行星,一開始這些行星之間沒有什麼顯著的“差異”。終在太陽旁的第三顆行星上出現了生命,而這些生命也開始探索他們所在的太陽系。但時至今日依然有六個太陽系的未解之謎有待解答。

  一、太陽系是如何形成的?

太陽系是如何形成的?

  如果你看一眼太陽系的行星,你也許會認為這些行星不是太陽“親生”的,而是被太陽“領養”的。可這些行星卻是如假包換的“血親”,都是從坍縮形成太陽的分子雲中形成的。你也許會認為不同天體在太陽系中的分佈是無章可循的。但其實目前的太陽系結構已經達到了平衡的狀態,添一分則嫌“胖”,減一分則嫌“瘦”。那麼這一精巧的結構是如何形成的呢?

在太陽形成的時候,它消耗了原始太陽星雲中99.8%的物質

  在太陽形成的時候,它消耗了原始太陽星雲中99.8%的物質。按照目前被廣為接受的理論,剩下的物質在引力的作用下形成了一個圍繞新生恆星的氣體塵埃盤。當這個盤中的塵埃顆粒繞太陽運動的時候,它們彼此之間會發生碰撞,並且漸漸地聚合長大。在盤的內部,由於太陽的核反應已經被點燃,因此高溫使得只有金屬和高熔點的含硅礦物才能倖存下來。這樣一來也限制了塵埃可聚合的大小,所以這一區域中的小天體終凝聚形成了內太陽系的4顆體型較小的巖質行星水星、金星、地球和火星。

  在這一區域之外則沒有類似的限制,在“雪線”以外的區域甲烷和水都是以固體的形式出現的。這個區域中的行星可以長得更大,並且可以在太陽的熱量把氣體驅散之前吸積氣體分子(主要是氫)。這就是木星和土星這樣的氣態巨行星以及溫度更低的巨行星天王星和海王星的終形成過程。這也是天文學家預計這些行星在流體的表層之下有一個岩石核心的原因。

  到目前為止一切都是直接。法國蔚藍海岸天文台的亞歷山德羅·莫比德利(Alessandro Morbidelli)說,但當你要深入到其中的細節的時候問題就來了,吸積模型就是一個很好的範例。沒有人確切知道米級的岩石是如何聚合成10千米級的小天體的。因為小型的固體天體會受到其周圍氣體壓力的作用而終在聚合之前便落入了太陽。近提出的一種可能性是氣體中局部湍流提供的低壓使得小岩石終併合到了一起。

  氣態巨行星也有類似的問題。它們的岩石核心必定是在有氣體的情況下聚合而成的,然後才能吸積氣體。而在其他行星系統中也已經發現了非常靠近恆星的類木行星。這些行星的大小和木星相仿,但是軌道半徑卻和地球的差不多,甚至更小。如果在太陽系形成的早期也有一顆木星質量的行星運動到了太陽系的內部,儘管還沒有確定的結論,但諸如地球這樣的內行星都會被散射出太陽系。

氣態巨行星

  按照美國科羅拉多大學的菲爾·阿米蒂奇(Phil Armitage)的說法,沒有證據顯示太陽系上演過類似的情況。如果說過大的月亮是某種暗示的話,那麼它也只是說明了內太陽系在巖質行星形成的最初1億年中一直處於“動盪不安”的狀態,但是很快一切就都安定了下來。根據莫比德利及其同事所提出的理論,在太陽形成之後的幾億年,在木星和土星引力的“強強聯合”作用下天王星和海王星被推到了距離太陽更遠的地方並且佔據了現在的位置,由此引發了外太陽系的重組和膨脹。一些小天體會就此撞向木星,而另一些則會被木星的強大引力拋射出太陽系。在整個太陽系的外圍、宇宙的深處,這些未被吸積的殘骸聚集到了一起形成了設想中的奧爾特雲。

奧爾特雲

  太陽系的最近一次引力散射效應的集中體現就是它們對火星和木星之間小行星帶的擾動,由此引發了40億年前(太陽形成之後5-6億年)出現的晚期大規模轟擊。在這期間,大量的小天體撞擊了地球和月亮,但從那以後構成太陽系的天體便又重新恢復了平靜,進入了一種精巧的平衡狀態無疑這對於地球上生命的起源和演化來說是“無價”的。

  二、為什麼太陽和月亮在天空中看上去一樣大?

  日全食是最壯麗的自然景觀之一。如果你一輩子都呆在一個地方,那麼你至少可以目睹一次日全食。如果你運氣好的,也許可以看到兩次。在日全食發生的時候,月亮可以完全遮擋住太陽的光芒。只有透過月面上的山谷才能有一線光線透過來,形成絢麗的“貝利珠”。

  這一切都要歸功於太陽和月亮的“大小”是如此的契合。太陽的直徑大約是月亮的400倍,而太陽到我們的距離也正好是月亮的400倍。這兩者“此消彼長”就使得太陽和月亮在天空中看上去具有一樣的大小,這在太陽系中的8顆行星和已知的166顆衛星中絕對是絕無僅有的。而地球也是目前已知唯一擁有生命的行星?難道這也純屬巧合?

  絕大部分天文學家的觀點是肯定的。但也許這些數字背後還隱藏著不為人知的一些“天機”。我們的月球是“與眾不同”的。類似木星、土星、天王星和海王星這樣的巨行星的衛星是通過兩種方式形成的。它們要麼形成於由行星引力維繫的物質盤中類似微縮版的太陽系,要麼就是由行星的引力俘獲而來的。火星的兩顆衛星火衛一和火衛二就被認為是通過第二種方式形成的,而火星也因此成為了內太陽系唯一具有兩顆天然衛星的行星。

為什麼太陽和月亮在天空中看上去一樣大

  但是由於月亮相對於地球的大小來說太大了,因此無法通過這兩種方式中的任意一種形成。行星科學家們相信月球的形成只有一種解釋:在太陽系的最初1億年裡,小天體在太陽系裡橫行,其中一個火星大小的天體撞上了地球。這一碰撞完全地改變了地球,由此撞擊出的大量物質最終形成了個頭偏大的月球。

  更重要的是,這麼大的月亮對於地球上的生命來說是一種恩惠。由於來自其他天體的引力作用,地球在繞其自轉軸轉動的同時也會自然地擺動。而月球無形的引力則抑制住了這種擺動,防止了地球自轉的不穩定性以及由此造成的災難性氣候變化。而這對於地球上的生命來說則是至關重要的。

2003年發生在英國巨石陣的日偏食

  地球處於太陽旁的“宜居帶”中,在這個帶中行星可以保持充沛的液態水。這無疑是承載生命的最重要因素。但是一個大到足以引發日全食的月亮的存在可能也是關鍵的因素。如果真是這樣的話,那麼這將為在其他行星上搜尋生命產生重要的影響。

  由於是在撞擊中形成的,因此月亮正在以每年3.8厘米的速度漸漸地遠離地球。於是恐龍看到的日食和我們的截然不同。2億年前月亮要比現在看上去大得多,可以“輕而易舉”地遮擋住整個太陽。而對於幾億年之後的地球居民來說,由於月球已經變得太“小”,因此不會再有日全食發生。

  我們看起來很幸運正好位於兩者之間:形成於撞擊的月球正在遠離,與此同時它又惠及著地球上的生命。如果你足夠幸運在有生之年經歷過一次日全食,請想像一下這一可能:也許正是這樣一個月亮才使你有幸站在那裡目睹日全食的發生。

  三、是否存在X行星?

  如果說太陽系就像一張網,那麼我們並不瞭解這張網上的所有結點。傳聞在太陽系黑暗的深處潛藏著X行星,它是一顆如火星甚至地球這麼大的冰冷行星。

  自從1930年發現冥王星以來,X行星將會是太陽系最重要的“擴編”。2006年國際天文學聯合會為行星設立了三條標準:圍繞太陽轉動、在自引力下呈近似球形並且質量足夠大能清空其軌道附近的區域,並由此將冥王星降級為矮行星。冥王星的“失利”源於第三條。因為它只是眾多柯伊伯帶天體中的一個,這些冰質天體都分佈在海王星以外30個天文單位到50個天文單位之間的區域裡。這裡1個天文單位等於地球到太陽的平均距離。

  任何位於柯伊伯帶的天體想成為行星的話就必須清空它。而有意思的是,對柯伊伯帶的研究預示可能確實有X行星的存在。一些柯伊伯帶天體的軌道可以延伸到距離太陽非常遠的地方,而另一些的軌道則是長橢圓形的並且和大行星的軌道互相垂直。“這些特殊的軌道可能就是一顆大質量遙遠天體攝動的結果,”美國夏威夷大學行星科學家羅伯特·傑迪克(Robert Jedicke)說。

柯伊伯帶天體的想像畫

  但關於這一點遠沒有在科學家之間達成共識。儘管很難解釋觀測到的柯伊伯帶天體的所有性質,但是巨行星軌道的向外遷移確實可以解釋一些柯伊伯帶天體的奇特軌道。

  在過去的20多年裡已經在大片的天區中搜尋了那些緩慢運動的天體,並且已發現了超過1,000顆的柯伊伯帶天體。但是這些大天區的巡天只能發現大而明亮的天體,而用於尋找小而闇弱天體的長時間曝光巡天只能覆蓋較小的天區。如果有一顆火星大小的天體位於距離太陽100個天文單位的地方的話,那麼它可以輕而易舉地躲過地面上的偵察。

獨自位於太陽系邊緣的矮行星鬩神星(2003UB313)的想像畫

  但是這一狀況馬上就要被改變了。2008年12月,全景巡天望遠鏡和快速反應系統(Pan-STARRS)的首架原型機在夏威夷投入使用。不久裝備有全世界最大的140億像素數碼相機的四架望遠鏡就將開始搜尋天空中任何閃爍或者運動的目標。它的主要目的是尋找對地球具有潛在威脅的小行星,但是那些外太陽系的居民也難逃它的“法眼”。

  傑迪克和他的團隊目前正忙於開發可使用Pan-STARRS自動搜索這些天體的軟件。他說,發現一顆遙遠的行星絕對是一件令人興奮的事情。對存在這樣一顆行星的唯一解釋是,它是一顆形成於在太陽系早期的大型天體,在隨後和巨行星的引力相互作用中被拋射到了太陽系的外圍。它的發現會佐證我們對太陽系形成的認識,也可能會成為人類邁向太陽系更深處的階梯。

  四、彗星來自何方?

  很少有“宇宙來客”能像彗星那樣使得人類對它既敬畏又恐慌。特別是肉眼可見的哈雷彗星,在猶太教法典上寫道“每70年出現一次的星星會讓船長們犯錯”。1066年黑斯廷斯戰役之前哈雷彗星猶如厄運的徵兆出現在了天際,1456年教皇卡利克斯特三世將其逐出了教會。

  而現代科學對待彗星則採取了更多實證的觀點。彗星是塵埃和冰的聚合體,在大橢圓軌道上繞太陽運動。當它們靠近太陽的時候,由於太陽風的吹拂而形成了壯觀的彗尾。現在我們甚至還知道它們發源自海王星軌道以外的柯伊伯帶。

  但是這裡也存在著問題。諸如1997年造訪地球的海爾-波普彗星,它們難得會出現在我們的天空中。因為它們的軌道非常長,因此不可能來自柯伊伯帶。許多天文學家對此的結論是,我們已知的太陽系被一個巨大的、由冰質天體組成的暈所包圍,這些天體是幾十億年前在巨行星的引力作用下被從太陽附近“驅逐”到這裡的。

拍攝於美國加州約書亞樹國家公園的海爾-波普彗星照片

  這一片天空中的“荒漠”被稱為“奧爾特雲”,用以紀念1950年第一個提出它的荷蘭天文學家簡·奧爾特(Jan Oort)。這個包圍著太陽系的球形物質暈還從來沒有被觀測到過,但是如果長週期彗星確實發源於此的話,那麼奧爾特雲一定是非常巨大的,它所延伸的範圍可以達到柯伊伯帶外邊界的大約1,000倍。在這樣遙遠的距離上,它不再會受到太陽系行星的影響,相反銀河系和近鄰恆星對它的作用成為了主導。奧爾特雲可能就存在於我們的太陽系向星際空間過渡的某個地方。

1991年出現的科胡特克彗星一開始被認為是起源於奧爾特雲的

  不幸的是,如果要在奧爾特雲中搜尋X行星的話,那將是一個夢魘。對於望遠鏡來說,它太闇弱、太遙遠也太小了。同樣不幸的是,由此我們也錯過了通過統計和估算這些天體的大小來重建太陽誕生地並且一窺形成巨行星原始物質的機會。

  到目前為止,有關這些原初物質的信息都來自彗星和最大的柯伊伯帶天體,因為它們被認為具有類似的組成。“這就像是"瞎子摸象",”美國西南研究所的行星科學家哈爾·利維森(Hal Levison)說。

  儘管如此,但說不定在幾十年之後人們就能描繪出這頭“大象”的全貌了。奧爾特雲中的天體會使得遙遠恆星變暗或者發生衍射。雖然這些掩食所持續的時間只有幾分之一秒,但是天文學家將採用已經用於柯伊伯帶天體上的技術來測量這些天體的大小和距離。但地球大氣湍流造成的閃爍會使得地面上的望遠鏡無法探測到它們,不過未來空間望遠鏡巡天應該可以發現大量的奧爾特雲天體。

  除此之外還存在著其他的問題。根據目前已知的長週期彗星的數目和軌道估計,奧爾特雲中含有千億個直徑大於1千米的天體,它們的總質量可以達到地球的幾倍。利維森說,這麼多的物質超出了目前的太陽系形成理論可解釋的範圍,這說明還需要對我們現有的模型進行細緻的檢查。

  五、太陽系是唯一的嗎?

  自從1992年發現了第一顆繞其他恆星轉動的行星以來,已經發現了大約280顆太陽系外行星。而這其中的絕大部分和我們的太陽系大相逕庭。這些太陽系外行星主要是通過它們的引力對恆星的擾動而被發現的。行星越小,它對恆星的影響也越小。因此目前的技術還無法探測到類地行星對恆星所產生的擾動。

  絕大多數已知的太陽系外行星是大小和木星或者海王星相仿的氣態巨行星,它們到各自恆星的距離也只有幾個天文單位。據估計大約6%-7%的類太陽恆星會具有類似的行星。而恆星具有和木星類似距離的氣態巨行星的概率目前還不得而知。原因是它們繞恆星轉動一圈大約要花上10年甚至更長的時間,因此對它們引力擾動的測量也要花上至少這麼長的時間。

  按照太陽系形成的標準圖像,氣態巨行星不會形成於非常靠近恆星的地方,因為恆星的熱量會阻礙較大的巖質核心的形成。另外,太陽系中行星的軌道都是近圓的,而這些太陽系外氣態巨行星的軌道卻都是長橢圓的。也許這就是答案:絕大多數的行星系統具有比我們的太陽系更變化多端的歷史。本來距離較遠的巨行星為了獲得“生存空間”競相將對方“擠”入了特殊的軌道。

一顆行星正在清空恆星附近塵埃盤的想像畫

  在知道觀測極限之前,我們很難的到確定的結論。“也許在我們眼中太陽系的歷史已經是夠"血腥"的了,因為這是我們能看到的唯一樣本,”美國科羅拉多大學的菲爾·阿米蒂奇說。兩個高靈敏度的空間行星探測計劃將會幫助我們降低這裡的不確定性,其中一個是2006年12月發射的由法國主導的“科羅”外星行星探測器,另一個是計劃於2009年3月發射的美國宇航局的“開普勒”探測器。

  它們預計可以發現10個左右的“超級地球”質量為地球幾倍的行星。如果有關太陽系形成的理論是正確的話,這些巖質行星應該和我們的地球非常相似。取決於大氣中溫室效應和雲的冷卻作用,兩顆行星Gliese 581c和d到它們恆星的距離可以使得在其表面有液態水存在。

年輕恆星周圍塵埃的碰撞直接和行星形成有關

  還有其他的線索也表明巖質行星要比我們所想像的更普遍。2008年美國宇航局斯必澤空間望遠鏡的觀測顯示,年輕恆星周圍塵埃的碰撞直接和行星形成有關,而且巖質行星的形成率可以達到20%-60%。

  但斯必澤空間望遠鏡對老年恆星周圍塵埃的觀測則顯示,形成可承載生命的巖質行星的前景並不那麼樂觀。10個太陽系外行星系統有9個含有比太陽系更多的塵埃,在某些情況下甚至可以達到太陽系的20倍甚至更多。而行星形成過程是一個在恆星誕生之後1億年內就應該完成的短暫過程,因此這些塵埃可能是隨後盤中的彗星彼此劇烈碰撞的殘骸。

  幸運的是,我們的內太陽系有一個忠實的守衛者。距離更遠的巨行星尤其是木星通常會在彗星有機會進入內太陽系之前就把它們給散射出去了。

  “最終,"太陽系是否唯一"這個問題還有待我們在觀測到了類地太陽系外行星和其外圍更遠的巨行星之後才能回答,”美國亞利桑那大學的喬納森·盧寧(Jonathan Lunine)說,“但目前我們還無法簡單而正確地回答對這個問題。”

  六、太陽系最後將如何終結?

  我們生活在一個無趣的時代。因為早在最初的1億年裡行星便已經形成,現在行星都在有序地饒陽轉動,而太陽也在穩定地燃燒,生命也在太陽旁的第三顆行星上繁衍生息。一切都很平靜。

  但這份平靜並不是永遠的,在平靜的背後還隱藏著“危機”。

  我們的太陽終有一天是會死亡的,當然這是在大約60億年之後。但是在那之前事情就會變得越來越棘手。目前穩定的太陽系到時候就會陷入混亂。即便是最小的不規則性也會隨著時間累積,最終改變行星的軌道。從現在到太陽死亡,計算發現出現災變的可能性大約是2%。火星有可能太靠近木星,進而被拋射出太陽系。如果我們“背”到極點的話,狂奔的水星會和地球相撞。

  與此同時,太陽也會慢慢地變亮。在20億年裡,太陽就有可能會殺死地球表面的所有生命。而另一方面,如果火星仍然處於現在的位置的話,火星就會出現宜人的氣候。即使現在的火星是死氣沉沉的,但到時候就會生機盎然。

在50億年之後,太陽也會最終演化成白矮星

  然而這一切也不會永遠存在。當太陽的核心氫耗盡時,太陽的整體結構就會發生重大的變化。它的體積會漸漸地膨脹到目前的100萬倍,成為一顆紅巨星。而按照最新的數值模擬,當太陽成為紅巨星的時候就會吞噬水星、金星,可能還有地球。

  此時佔據整個天空的太陽會把火星變成煉獄,而土星和木星冰冷的衛星則會開始煥發出生機。由於已經具備了豐富的有機分子,因此土星的衛星土衛六特別有希望。在紅巨星的加熱下,曾經冰封的土衛六會浸浴在全球性的氨水海洋中,而這一海洋中的機會分子也許會形成生命。

冰封的土衛六

  任何漂浮在這些衛星表面的生物也會看到和我們截然不同的天空。到那個時候,銀河系也許已經和近鄰的仙女星系發生了碰撞,正在形成“銀河仙女星系”。由此觸發的大規模恆星形成過程又孕育了大量新一代的行星系統,並且照亮了天空。

  如果在太陽系晚期還會出現的生命的話,這些生命持續的時間都不會很長。在度過了短暫的紅巨星階段以後,太陽內部的核反應會最終停止,它會拋射出它的外部包層並且收縮成一顆白矮星。經歷了短暫溫暖期的土衛六又會再一次被冰封。木星和土星等外太陽系天體會繼續圍繞已變成白矮星的太陽轉動幾百億年,直到由於來自內部或者外部的某種因素打破這一“平衡”。木星或者土星可能會散射掉那些質量較小的同伴,例如天王星或者海王星。而偶然從太陽系旁經過的恆星也有可能會剝離掉其中的行星,甚至連質量最大的木星也未必能倖免。

  不過太陽系的未來還是不確定的,有著各種各樣的變數。還有一種微小的可能性是太陽系整個會被“甩”出銀河仙女星系。在空曠的星系際空間裡,行星可以免受“掠食者”的襲擊。它們會繼續繞著太陽轉動,但是它們的能量會被引力波漸漸地帶走。於是行星就會一個接一個地“掉”向中心已經變成黑矮星的太陽,並且以一陣劃破黑暗的閃光結束它們的一生。




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