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柯伊伯带揭示太阳系演化历程

时间:2023-08-05来源:网络作者:小白

  (神秘的地球uux.cn)据参考消息:美国《科学新闻》双周刊网站近日报道,1992年夏天,在夏威夷的一个山顶上观测星空的两位科学家发现,一个小光点正在缓慢穿过双鱼座。这个不起眼的天体———位于海王星之外10亿多公里处———将改写我们对太阳系的认识。在已知行星的轨道之外,不是一片虚空。实际上,那里潜伏着许多东西。

  科学家们发现了柯伊伯带———太阳系形成时期遗留下来的冰冻天体构成了一个甜甜圈形状的区域。

  

柯伊伯带揭示太阳系演化历程

  提供新见解

  研究人员对柯伊伯带了解得越多,我们太阳系的起源和演化过程就变得越清晰。对柯伊伯带的冰冻天体仔细进行的观测活动,让我们能更清晰地了解包括地球在内的行星的形成过程。对这一区域开展的研究活动总共披露了数以千计的这类天体,它们被称为“柯伊伯带天体”。研究显示,在早期太阳系中,有许多进行“弹球游戏”的行星。

  开启这一切的那个不起眼天体是一块直径约为250公里的冰和岩石的混合体。30年前的8月,它首次被人发现。

  

柯伊伯带揭示太阳系演化历程

  上世纪80年代末,行星科学家戴维·朱伊特和天文学家刘丽杏花费数年时间进行了一项不同寻常的探索。

  他们最终发现了天体1992 QB1,这让世界开始认识到柯伊伯带。该区域以天文学家杰拉德·柯伊伯的名字命名。不过,令人意想不到的是,柯伊伯曾预测,太空中的这一区域是空的。在20世纪50年代,他提出,任何曾经存在于那里的天体都会被引力驱逐到太阳系更遥远的地方。

  换句话说,柯伊伯认为柯伊伯带是不存在的。事实证明他错了。

  如今,研究人员知道,柯伊伯带从距离太阳约30个天文单位的地方———海王星轨道附近———延伸到距离太阳约55个天文单位的地方。朱伊特说,柯伊伯带就像一个膨胀的圆盘,“乍看像一个胖胖的甜甜圈”。

  柯伊伯带中的冰冻天体是气体和尘埃构成的漩涡的残留物。太阳和行星就是从这个漩涡中诞生的。天文学家梅蕾迪丝·麦格雷戈说,现在“剩下了很多东西,它们没能形成行星”。当这些宇宙残留物中的一件被海王星等行星的引力推入太阳系内层并接近太阳时,它就变成了我们所说的彗星。每200年或更长时间绕太阳运行一周的彗星通常来自太阳系内更遥远的冰冻天体“仓库”———“奥尔特云”。

  以科学术语来表达的话,柯伊伯带是一个“岩屑盘”。科学家发现,一些遥远的恒星系统也包含“岩屑盘”。麦格雷戈说:“它们同我们的柯伊伯带有着直接相似性。”

  改写教科书

  2015年,“新视野”号探测器飞过冥王星,科学家得以首次近距离观察一个柯伊伯带天体。“新视野”号在随后几年里发回的照片比科学家之前对冥王星及其卫星的观测结果详细数千倍。这些天体不再是一些模糊的像素点,而是呈现出丰富的景观:它们有着喷冰的“火山”和深深的锯齿状峡谷。“新视野”号团队成员马克·布伊说:“我为我们在冥王星取得的成就感到欣喜若狂。情况真是再好不过了。”

  但“新视野”号在柯伊伯带的收获不止于此。2019年元旦,在冥王星轨道之外近15亿公里的地方,该探测器飞经另一个柯伊伯带天体。它探测到的情况令人惊讶。“天空”星体———其名字Arrokoth在北美印第安部落语言中意为“天空”———看上去就像是连在一起的两个煎饼。从一端到另一端,这个天体长约35公里。它可能曾经是两个独立的天体。这两个天体发生过温和的碰撞,然后连在了一起。“天空”星体怪异的结构将帮助解答天文学中的一个重要问题:气体和尘埃如何凝结在一起并形成更大的天体?

  一种名为“星子积聚”的由来已久的理论认为,一系列碰撞是较大天体的形成原因。加拿大维多利亚大学和加拿大国家研究理事会的天文学家J·J·卡韦拉尔斯说,小块的物质会反复相撞并粘在一起,进而形成较大的天体。但卡韦拉尔斯说,这里存在一个问题。随着天体变得大到足以产生强大的引力,它们彼此靠近时会加速。他说:“它们以过于快的速度相互碰撞,就不会粘在一起。”对于像“天空”星体(尤其是它还具备双叶结构)这样的大型天体来说,通过一连串碰撞而成形是不同寻常的。

  研究人员现在认为,更有可能的情况是,“天空”星体是在一个名为“引力不稳定性”的过程中诞生的。在这种情况下,密度恰好比周围环境要高的一团物质会通过吸入气体和尘埃来变大。这个过程可以在数千年的时间里形成行星,而“星子积聚”需要花数百万年时间才能形成行星。卡韦拉尔斯说:“行星形成的时间尺度彻底改变了。”

  如果“天空”星体是这样形成的,那么太阳系中的其他天体可能也不例外。2014年发现了“天空”星体的布伊说,这可能意味着,太阳系某些部分的形成速度比先前认为的要快得多,“围绕太阳系如何形成,‘天空’星体已经改写了教科书”。

  需更多发掘

  迄今观测到的情况让科学家们更加渴望近距离研究另一个柯伊伯带天体。“新视野”号目前仍在柯伊伯带穿行,但要识别一个新天体并安排一次“会面”,剩下的时间不多了。这个探测器目前距离太阳53个天文单位。它正在靠近柯伊伯带的外缘。几组天文学家正在利用世界各地的望远镜寻找会与“新视野”号错身而过的柯伊伯带新天体。布伊说:“我们当然会寻找。我们最希望的就是从另一个天体旁飞过。”

  通过用地球上最大的几台望远镜来观测柯伊伯带,天文学家还将获得柯伊伯带的广角图像。利用位于夏威夷冒纳凯阿火山———朱伊特和刘丽杏就是在那座山上发现了1992 QB1———的加拿大-法国-夏威夷望远镜,天文学家最近圆满完成了“外太阳系起源巡天”任务。该任务记录了800多个此前不为人知的柯伊伯带天体,使已知的柯伊伯带天体总数达到约3000个。

  麦格雷戈说,这项编目工作将揭示这些天体绕太阳运行的有趣模式。柯伊伯带天体不是均匀分布的,而是倾向于聚集在一起。她说,这说明,这些天体过去曾受到引力的猛烈推动。

  大多数天文学家认为,推动它们的天体非太阳系内的气态巨行星莫属。在21世纪头10年中期,科学家首次提出,在太阳系历史的初期,海王星和土星等行星可能曾将一些天体推向或推离太阳。麦格雷戈说,这种活动可以解释许多柯伊伯带天体的轨道为何惊人地相似。她说:“这些巨行星搅动了太阳系外层的所有物质。”

  英国贝尔法斯特女王大学的天文学家梅格·施万布说,若要完善太阳系的早期历史,需要对更多的柯伊伯带天体进行观测。研究人员预计,定于明年开始的一项天文学新研究将再找到约4万个柯伊伯带天体。人们正在智利中北部建设薇拉·鲁宾天文台。它将每隔几晚就用其32亿像素的摄像仪器反复拍摄整个南半球的天空,持续10年。施万布说,这项名为“时空遗产调查”的任务将彻底改变我们对早期太阳系演化过程的认识。施万布是“时空遗产调查”任务太阳系科学合作组织的联合主席。

  朱伊特说,想想我们接下来能从柯伊伯带获得什么令人兴奋。他说,在很大程度上,由于技术的进步,未来获得更多发现是可能的。他说:“用现代摄影仪器拍摄的一张照片抵得上用1992年的设备拍摄的约1000张照片。”

  不过,朱伊特说,即使我们将对太阳系内的这一遥远区域进行更多发掘,我们应该始终保持一些敬畏之心。他说:“这是我们迄今观测过的最大的一片太阳系区域。”

太阳系中的固态行星、气态行星是怎么形成的?

石球和气球是我们对太阳系行星的形象称呼,其实它们分别代表的是固态行星和气态行星。之所以会有固态和气态的区别,直接的原因就是距离太阳的不同距离所致,它们的形成历史与太阳系早期的状况和发展演化过程密不可分。星云物质星云是宇宙间除了恒星和行星外,最常见的一种天体物质组成形态,如果从相关的宇宙照片可以看出,它们的形状千变万化,虚无缥缈,组成了一幅幅美观而又优美的宇宙背景画面。从组成来看,星云是由大量的星际尘埃、氢气、氦气和其它一些电离气体构成,也就是其中充满着微小的固态物质和轻气体。虽然看上去“浓烟滚滚”,实质上这些星云物质的含量比较稀薄,密度非常低,我们之所以能够看到它们,一方面是在非常大的空间尺度上去观察;另一方面是在星云物质之外的物质浓度更低,在恒星光线作为背景下,比较容易看到它们与周围更加空洞的空间的反差。关于星云物质的来源,目前天文界比较主流的观点认为,它们的来源包括三个方面:一是宇宙大爆炸释放出的大量星际物质构成了星云主要物质来源。当宇宙大爆炸发生之后,从中释放的原生物质,如氢核和氦核则在宇宙中均匀分布,由于它们之间的引力非常微弱,还远远不能克服宇宙向外扩散的膨胀压力和辐射压,无法汇聚在一起,但是奠定了所有宇宙所有星体和物质形成的基础,包括星云。二是宇宙的逐渐冷却使星云物质慢慢聚集。宇宙中由大爆炸之后一段时间内的背景辐射是以高能辐射为主,随着宇宙空间在大爆炸能量的推动下逐渐膨胀以后,整体温度也在不断下降,这种高能辐射就会逐渐变为微波背景辐射。氢核和氦核在此情况下,拥有了相应的原子,之间的引力也慢慢地超过膨胀压力和辐射压,在原子相互引力的作用下开始形成许多物质密度较高的区域,原始星云因此而产生。三是在恒星的发展演化过程中不断积累形成的。恒星在生命周期的晚期,都会在辐射压的作用下发生膨胀,然后又在内核引力作用下发生塌缩,在塌缩过程中,有一些外围物质会继续向外膨胀,形成气壳,构成了恒星周边区域的星云物质。当恒星相继经历白矮星、黑矮星直至消失之后,这些星云物质被保留了下来。太阳的形成太阳是宇宙中再普通不过的一类恒星了,但是它的形成和演化过程与其它恒生的产生却是基本一致的,离不开上述星云物质的孕育。在太阳还没有形成之前,其所在的空间区域内,分布着众多由气体和星际尘埃所组成的星云物质,这些星云物质的浓度相对较高。据科学家们推测,这些较为浓密的星云物质,有很大的可能是在此处的“上一任”恒星生命结束之时残留下来的,恒星的残骸以及最后喷射出来的物质,加上此前在恒星引力作用下围绕着恒星运转的众多气体和微小颗粒共同组成这块“生命的摇篮”。这些浓密的星云物质,在50多亿年受到外界恒星引力波动的影响下(科学家们推测受到较近区域超新星爆发的影响面较大),组成物质之间开始进行着持续不断地碰撞,使得某些区域的星际物质浓度变得更大,于是形成了质量相对较大的若干核心区域,其中在太阳所在位置,这个区域的空间大小和互相碰撞聚合的物质规模非常大,然后在万有引力和动量守恒定律的支配下,周围更多的气体物质和星际尘埃一部分被吸入这个核心区域,中心质量越来越大,一部分围绕着这个核运转,随时在中心质量增大的过程中,被持续吸进中心区域,在此过程中,不断的碰撞使得核心的温度缓慢升高,形成了太阳的“胚胎”。当太阳“胚胎”核心区域的温度上升到1000万摄氏度时,便会激发其中组成物质氢的核聚变反应,两个氢原子中的四个质子和中子聚合成一个氦原子,同时释放两个正电子,在此过程中,由于质量发生了一定程度的亏损,从而释放出大量的能量,真正意义上的恒星就此诞生,为整个恒星系注入了源源不断的能量来源。行星的形成在太阳形成的同时,其周围一定范围之内的区域,其实也在进行着和太阳形成早期一样的星云物质聚合过程,在太阳系内,应该是形成了众多那样的“核心区域”,都有着较大的质量,都有着许多星际物质围绕其运行的情况。只不过太阳那个核心区域太大了,所吸引的星云物质占据了极大的比重,相对来说,其它区域的“核心区域”规模就小很多。虽然这些核心区域规模较小,但也持续不断地发生着星际物质的碰撞和聚合的过程,中心温度也越来越高,而且一些核心区域也在引力的作用下进行着“零存整取”,互相之间也有几率相互碰撞和整合,于是逐渐在太阳这个绝对核心的周围,形成了若干个规模相对较大的核心区域,在引基础上产生了温度很高、密度很大的固态行星体,这些固态行星又慢慢演化为各个行星的固态内核。之所以会最后形成不同类型的行星,原因在于固态内核形成之后,依靠万有引力所吸引周围星际物质的不同所致。刚才提到了,虽然太阳形成的时候,其核心规模很大,所吸引区域星云物质的占比极大,但是在太阳系这一大片区域之内,仍然有一些星云物质没有被其引力所捕获,而是围绕着太阳作周期性的运转,这些星云物质成为了其它行星形成以及壮大的物质基础。太阳诞生以后,由于核聚变反应,向外释放着大量的光和热,其中就包含着以大量带电粒子所组成的高速粒子流,它们以每秒200-800公里的速度向外辐射运动,这些等离子流被我们形象地称为“太阳风”。在太阳风的“吹拂”下,氢、氦等质量较轻的气体被送到距离太阳较远的地方,于是在太阳系外围的那些行星固态内核,从星际空间中所捕获到的物质,后期都是以气体为主,于是形成了浓厚的大气层,继而在巨大气压的作用下,下部的气态物质被压缩成液态,表面呈现气态,气态行星就这样形成了。而在距离太阳较近的轨道,那些行星的固态内核只能吸引较重的一些元素,逐渐聚合成固态行星。总结一下在一个恒星系统中,其行星和恒星基本上是在同一个时间段内形成的。无论是气态行星还是固态行星,它们的起点相同,但过程不尽一致,气态行星的形成,依靠的主要是太阳风的力量,将没有被恒星所吸入的较轻物质中吹到了较远的轨道,然后再凭借行星内核万有引力的努力,将这些较轻的气体吸到了自己的怀抱,从而不断发展和壮大自己的力量,这也是为何在一个恒星系统中,气态行星都是在距离恒星很远的轨道上形成的根本原因。

天体物理学家预测2029年发生重大小行星撞击的几率(略有)增加

小行星撞击产生的一个脉冲 Δv = 10−1 m s−1 的情况图例已应用于阿波菲斯。来源:uux.cn《行星科学杂志》(神秘的地球uux.cn)据《大众科学》(安德鲁·保罗):一颗巨大的小行星不太可能很快撞击地球。然而,根据一位天体物理学家的说法,某些事件可能会增加与大约1210英尺宽的太空岩石99942阿波菲斯发生灾难性交会的机会。尽管根据现有证据,可能性仍然很小,但人类当然不希望情况像理论上的那样发展。阿波菲斯是历史上研究最多的近地小行星之一,不是因为它有任何引人注目的物理特征,而是因为它的轨迹。天文学家在2004年发现地球后,最初对与地球相撞的可能性表示担忧,并认为发生这种灾难的几率为2.7%。这些计算最初使阿波菲斯在都灵撞击危险等级中获得了4级,这是有史以来最高的。然而,很快,修订后的分析表明,阿波菲斯的路线仍然相对靠近地球,但安全无需担心。到2006年,其都灵级别降至0,此后一直保持不变。2021年,美国国家航空航天局喷气推进实验室表示,这颗小行星在未来100年内不可能撞击地球。但正如西安大略大学的Paul Wiegert在《行星科学杂志》上发表的新研究中所指出的那样,只要没有任何东西影响其路径,这些结论就仍然是铁板一块。与另一颗小行星的相遇,即使只有两英尺宽,也可能足以改变其路线。将该天体的大小增加到仅11英尺,它可能会在2029年4月13日最接近地球时撞上阿波菲斯,使其成为人类的一个问题。虽然Wiegert在他的研究摘要中指出,“阿波菲斯目前的轨道使其在几个地球半径的距离安全地经过我们的星球”,但那天,遇到另一颗小行星“就像那些经常和不可预测地撞击地球的小行星”可能需要天文学家迅速修改他们的计算。为了确定这种情况的可能性,Wiegert参考了每年穿过地球大气层的直径在0.6到3.4米(1.96到11.15英尺)之间的物体的数量。每年大约有120颗较小的陨石,只有一颗较大的岩石。然后,他将这些数字整合到计算类似小行星撞击阿波菲斯的概率中。如果恒星(或者更准确地说,小行星)对齐,那么与阿波菲斯约会的几率将提高到10-8。正如该研究9月12日的公告所解释的那样,这个新数字“当然很低”。从长远来看,2029年4月13日之前发生的任何事情,“恰到好处的命中率可能是20亿分之一”。计算出阿波菲斯在2036年和2068年的未来飞越,这一概率增加到百万分之一——呈指数级增长,但仍然极不可能。至于人类何时可以绝对确定阿波菲斯不会朝这个方向发展,Weigert说,这要到2027年才会发生,届时它将成为天文学家最容易观察到的。Weigert在他的研究中解释说:“一颗小行星在几年或几十年内与任何小行星碰撞的可能性很小,在几乎任何其他情况下都可以被认为小得可以忽略不计。”。“正是这颗小行星不同寻常的轨迹及其对我们星球带来的风险促使我们在这里详细研究这种情况。”但即使几乎完全不可能,“随之而来的风险”也值得考虑。天体物理学家估计,阿波菲斯的大小和速度将产生相当于1200兆吨TNT的能量,足以形成一个17000英尺宽的陨石坑。虽然不是世界末日,但也不会令人愉快。这也将破坏美国国家航空航天局用他们的OSIRIS-APEX太空探测器研究它的计划,该探测器将于2029年6月与阿波菲斯会面。
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