物理科学探疑-网友天空-宇宙的观念-太阳系起源探讨

太阳系起源探讨

邓 毅（中橡集团炭黑工业研究设计院 四川 自贡
643000 13508172910 dy414@sina.com）

意义：当原始太阳演变进入金牛座T型星阶段时，在太阳表面将发生的剧烈能量爆发[1-3]，把部分太阳物质沿赤道面抛射出去。高温抛射物质在降温凝聚时，其中质量仅约0.36%金属和矿物先凝聚成土物质[13]，其平均密度约为5.46g/cm³，与现在类地行星的密度特征相似。而质量占95.4%的冰物质和气物质[13]的密度仅1.27 g/cm³ ，在远离太阳的地方形成的外行星。同时在金牛座T型星阶段，太阳的抛射物共带走约3.35×10⁴³kg·m²/s的太阳角动量，这个值与现在测量的太阳系总角动量3.155×10⁴³kg·m²/s[12]非常接近，使太阳的自转速度降了下来。

摘要：当原始太阳演变进入金牛座T型星阶段时，在太阳表面将发生的剧烈能量爆发[1-3]，把部分太阳物质沿赤道面抛射出去。高温抛射物质在降温凝聚时，其中质量仅约0.36%金属和矿物先凝聚成土物质[13]，其平均密度约为5.46g/cm³，与现在类地行星的密度特征相似。而质量占95.4%的冰物质和气物质[13]的密度仅1.27 g/cm³ ，在远离太阳的地方形成的外行星。同时在金牛座T型星阶段，太阳的抛射物共带走约3.35×10⁴³kg·m²/s的太阳角动量，这个值与现在测量的太阳系总角动量3.155×10⁴³kg·m²/s[12]非常接近，使太阳的自转速度降了下来。

关键词：金牛座T型星 较差自转 抛射 凝聚 行星密度 太阳系角动量

1.前 言

    讨论太阳系起源问题时，一要说明太阳系物质的来源，二要解释清楚太阳系角动量的奇特分布及行星特征。

    本文拟用不同于传统“星云说”的一种观点，即“抛射机制”，讨论太阳系诸行星是由太阳表面的能量爆发（如耀斑爆发）所抛射出的太阳物质所生成的。

    用“抛射机制”我们不仅能说明太阳系的物质是来自太阳，而且还能说明太阳系所拥有的巨额角动量，也是来源于原始太阳失去的角动量。

2.原始太阳的演变

2.1初期特征

    当原始太阳星云在自身引力的作用下坍缩时，星云中的气体绝大多数都聚集成高速自旋的原始太阳， 它的赤道角速度可达1×10^-4rad/s (～100km/s)［4］，属Ａ型星，太阳附近因引力作用不会有能生成行星的大量气体云存在。在原始太阳演变到金牛座Ｔ型星初期时，内部发生热核反应，产生核能量，原始太阳开始发光发热。

    金牛座Ｔ型星的主要特征是［5］：

①.质量外流 观测表明，凡处于金牛座Ｔ型星阶段的星体，都有质量外流现象，其最大的质量外流率见于最年轻的该类天体，并随着它们向主序星的逐渐接近而减少质量外流。其质量外流率为10^-7~10^-8M_⊙／年（M_⊙是太阳质量）。

②.高速自转 处于金牛座Ｔ型星阶段的恒星都具有较高的自转速度，其赤道自转速度约为100km/s。

③.自转速度突变 在赫罗图上，主序星的表面自转速度在Ａ5型星处有一个明显的突变，呈现两个极值，即~100km/s和~1km/s。

④．锂元素丰度 从光谱观测中发现，在金牛座T型星的大气中，锂元素相对于其它金属丰度的比值，与地球和陨石的比值相同，比现在太阳大气中的比值高100倍。

2.2太阳核能的储蓄和物质抛射与现代太阳黑子、耀斑的关系

    按照表征太阳活动的巴布柯克─莱顿机制［6］，太阳的赤道比其它地方转得更快。

    设原始太阳较差自转的自转率与现代太阳的自转率梯度相当，故原始太阳的较差自转ω(φ)沿纬度φ的分布为：

              (1)

    设太阳表面纬度Φ处的物质每天相对于赤道转过的经度θ为：

                             (2)

    经(k+1)个月后, 纬度Φ相对于赤道转过的经度Δθ为：

                           (3)

    式中：k──太阳赤道转动时间，单位：月。

    在原始太阳较差自转的作用下，被“冻结”在太阳物质上的磁力线因较差自转的拖动作用，磁力线被拉伸、缠卷，磁场密度增加，磁场强度增大，最终形成高能量密度的磁通量管。这些环绕太阳的高能量纬向分布的磁通量管，或“磁绳”，在磁浮力的作用下，从太阳内部向太阳表面上升。磁通量管所受磁浮力为F_B：

               (4)

    式中：μ—气体的分了量；g—引力常数；R—里德伯常数；T—绝对温度。
    由(1)式可得出磁管中场强为；

            (5) 

    当磁力线管中磁场强度达264Gs时，磁管开始上升(设Ho =10Gs)，则：

                  (6)     

    在任意时刻k，磁管开始上升的纬度φ可以由下式求之：

                       (7)     

    (7)式符合太阳黑子的斯波勒定理，其理想的“蝴蝶图”见图1。即太阳黑子在最初的1个月之内处于高纬度的A位置，经过几个月之后，黑子沿曲线滑到位置B。

    同时，在赤道处发生折向而分居赤道两侧的磁力线管因管内磁场的极性相反，它们将相互吸引，靠近。故在上升的过程中，它们都将向太阳的赤道靠近，最终，磁力线管集中在太阳赤道附近浮出太阳表面，与日面的交点就是太阳黑子，并在赤道两侧对称出现。所以黑子呈现逐渐向赤道靠近的特征，如图1所示。

    目前，在太阳物理学的研究中，已发现黑子与耀斑有非常密切的关系[^6，14，15]，在太阳活动中，耀斑、黑子和射电之间的相关系数在0.94以上[6]。
一个强度为100Gs, 体积为10²³m³的磁场，一旦土崩瓦解，它放出的能量大于10²⁸J，相当于2×10¹⁵吨TNT的能量，足以供给一次大的耀斑爆发[6]。

  2.3抛射过程

    磁力线管因扭转过紧而打结成一股“磁绳”，当它冲出太阳表面时，将发生“磁绳”断裂、转松、纤维散开、变成宏观平直开放场，最后向类似势场的位形变化。

    假若将磁管拉直（不旋转），用Alfven和Falthammar研究的柱坐标对称模型讨论磁管中的环向场问题时，取柱坐标的Z方向向上,在园柱面上的磁力线与轴线的夹角为θ,则在磁力线管中有[1]:

                                            (8)

    式中分别为磁场的环向分量和轴向分量，径向分量为。

    以文献《耀斑日珥中扭紧磁力线的松转》[1]中一个中等强度耀斑的释能为参考，当它的磁管中环向磁强激剧减弱时,由下式可计算出它产生的轴向感生电流:

                                                   (9)   

    计算得出I_z=10¹¹安。

    用10¹¹安的轴向感应电流,可计算它的感应电动势高达10⁹伏，即在磁管中存在～10⁹伏的电势差，足以加速荷电粒子沿磁管从太阳赤道面径向抛射。所以,若在磁管中,感应电动势以10⁹V计,磁管中的等离子体受电磁力作用的运动方程为：

           (10)                     

  其轴向分量方程为:

                  (11)                    

  等离子体在轴向电场力作用下由位置1运动到位置2时,对(11)式积分得出荷电粒子,即等离子体脱离太阳时的速度V_O（设感应电动势为10⁹V）为：

                           (12)             

  式中：n—电离度；k—原子量； c—光速。
表1列出了部分元素脱离太阳时的抛射速度。

  各行星的轨道半径R_i和公转的轨道速度V_i之间有下列关系：

                (13)             

  如果行星物质的确是来自太阳，按它们现在的轨道位置，可算出它们脱离太阳表面时的速度为V_j，见表2。

                   (14)

  对比表1和表2，虽然在数量级上有差异，但金属元素与内行星（水、金、地）对应，非金属元素与外行星（木、土、天、海）对应的关系是显而易见的（火、冥在后面讨论）。

    原始太阳在A5阶段之前自转率极高，太阳处于金牛座Ｔ型星阶段，其较差自转促使表面物质外流,并带走了太阳表面大量高速自转的物质，使太阳的角动量大大损失,自转变慢,较差自转减小。同时高纬度的角动量又不断地向低纬度方向转移，补偿太阳的较差自转，使太阳进入下一轮能量的储蓄、放大、抛射。数百万年时间内无数次上述循环，太阳损失了绝大多数角动量后，较差自转弱至不足以再储蓄巨大的能量，不能再向外大量抛射物质，实现了自转率从~100km/s到~1km/s的转变，渡过了A₅阶段。太阳则从金牛座T型星演变成主序星。

  从太阳上“吹”出来的角动量随着物质的凝聚变成了太阳系诸行星的角动量。现在若将太阳系总的角动量全部集中到太阳上，则可计算出太阳的自转率也可高达~100km/s。这是太阳系角动量来自太阳的证据之一。

  对于金牛座Ｔ型星的第④特征，即有关锂元素丰度的差异问题，用“抛射机制”可较好地给予说明：太阳在金牛座T型星阶段所抛射的物质是太阳表面温度较低的表面物质，其中的锂元素相对于其它金属丰度的比值与原始太阳星云中的比值应是相同的，即与从光谱观测中发现的金牛座T型星大气中的比值相同。这些抛射出来的物质所换成的太阳系当然有与之相同的锂元素丰度比值。而太阳内部的物质在高达3×10⁶K温度下足以引起锂元素与质子的核反应，使锂元素的丰度下降[5] ，最后仅余下现在的1/100左右。由此也表明，地球、陨石及整个太阳系的物质都是由原始太阳在金牛座Ｔ型星时期抛射的物质生成的，它们保留着原始太阳当时的锂元素丰度，且与现在的金牛座Ｔ型星的锂元素丰度值相当。而太阳上的锂元素丰度在以后的核反应过程中逐步下降。所以，太阳系诸行星的形成与太阳在金牛T型时期的活动有关。

2.4抛射物凝聚成行星

    近几十年来，太阳系起源研究中最有效的领域是宇宙化学。在对太阳化学组成相同的气体的冷却研究中，不同矿物凝聚顺序方面的研究成就尤为突出[8-11]。这些成就能较好地描述抛射物的降温、凝聚、分馏和吸积，并形成行星的过程，即当抛射的高温物质流的温度下降时，就有凝聚温度不同的矿物（主要是金属元素及氧化物）不断地从气相中凝聚成液滴析出。当温度下降至400K前，各类矿物基本凝聚完毕，并组成土物质。其余气体物质继续向外运动，在温度降至200~60K之间时，碳、氮、氧等非金属元素及其氢化物等析出，组成冰物质。最后是沸点在60K以下的元素生成气物质。结果，在太阳系赤道平面上形成一个按土物质、冰物质和气物质顺序排布的，绕日旋转的星子园盘，以后这些星子相互吸积，其中的土物质形成内行星，冰物质、气物质形成外行星，最后形成了太阳系诸行星。

3.太阳系基本特征解释
3.1角动量分布问题

  太阳系奇特的角动量分布问题是太阳系起源研究的难题之一，是任何起源学说所必须回答的问题。现代研究表明，太阳在金牛座Ｔ型星时期共经历了数百万年，平均每年抛出10^-6~10^-8M_⊙的质量[16]。取该时间为500万年，共抛出质量为0.45M_⊙。 其自转率从~1.0×10^-4rad/s[4]下降到3.0×10^-6rad/s(~26天),且设在第100万年时,质量外流率最大。它的质量外流率ρ(t)和自转率ω(t)为(t以100万年为单位时间)：

  由此可计算出在整个金牛T时期，原始太阳损失的总角动量J为：

           (17)

  式中R_⊙是太阳半径。这个总角动量值与现代天文学实测得出的太阳系总角动量3.155×10⁴³kg·m²/s比较，计算值与实测值有相同的数量级，说明太阳系各行星的角动量正是来自原始太阳损失的角动量，行星物质正是由其抛射的物质形成的。从而以“抛射”机制可以较好地同时解释了太阳系角动量的奇特分布和行星的质量来源问题。

  3.2 行星特征

① 行星的公转 因抛射出的物质与太阳自转的角动量同向，且平行于太阳赤道面，故所形成的行星系统自然具有“同向性”和“共面性”。

② 行星的自转 统计表明，液态星子吸积生成行星时，来自轨道外侧的角动量大于内侧，故所形成的行星自转与公转同。而金星、天王星、冥王星等的不规则自转则是后来行星与大星子偶然的撞碰所至。

③ 行星的性质[13] 图3表示太阳大气组分中土物质，冰物质、气物质和太阳系内行星、外行星的平均密度。由图3可见，内行星的密度和土物质的密度相对应，外行星的密度和冰物质、气物质的密度相对应。内行星应是由土物质生成的，而外行星则应是由冰物质、气物质生成。

    图4表示的是太阳大气中土物质，冰物质、气物质中质量的相对百分率，及太阳系中内行星、外行星质量百分含量的关系。同样可见，内行星的质量和土物质的质量相对应，外行星的质量和冰物质、气物质的质量相对应。再次说明了内行星与土物质，外行星与冰物质、气物质的相关性极强。

  这是因为土物质在太阳大气中虽质量含量极少（＜0.4%），但它们是由石质物质和金属物质构成的，由此物质生成的内行星具有质量小，密度大（有一个Fe-Ni内核）的特征；而由冰、气物质构成的外行星虽然质量巨大，但只有极小的密度(ρ_平=1.1)。

  而在内、外行星之间的区域内，因生成的星体质量较小，引力小，吸积不住气物质。同时小星体的中又无Fe-Ni合金内核，它们的故质量和密度都较小。以火星为代表，其密度分别为：月球(3)、火星(3.9)、谷神星(1.6)、智神星(2.4)及木、土星的卫星(~3.5)。冥王星为某一特殊事件的结果，不在本文的讨论之列。

④ 陨星 陨星被认为是自太阳系形成以来一直未发生过化学变化的原始星际物质，保留着太阳系起源的原始信息。陨星主要分二大类：一类是铁质陨星，它是由未被内行星吸积的剩余Fe-Ni合金所组成，并且有典型的极缓慢降温过程所特有的维斯台登图案花纹[5]；另一类为球粒陨星，其体内含有大量直径为0.1cm的金属、硫化物、橄榄石、辉石等的微粒。这种现象可以用抛射机制合理地解释，即在液态星子吸积成大星子的过程中，在空间应有大量已固化的高速运动金属、矿物星子。当这些固体小星子撞入液态大星子中后，若固态微粒在大星子内部被再次熔化，并发生相应的化学反应，则生成石质陨星；若大星子的温度不足以将其熔化，它们就随大星子的降温而成为其中的嵌粒，成为球粒陨星。

    因为内行星在生成之初呈熔融状态，足以将吸入的微粒全部熔化，故在地球（包括水星和金星）的岩石中是不会含有微粒的。球粒陨星的基本特征是太阳系“抛射机制”的证据之一。

4.结 论

    本文在研究了太阳系的行星特征、太阳系角动量分布和球状陨星特征之后，提出太阳系是由太阳内部的核反应能量引发太阳表面的能量爆发，将太阳表面的物质抛射出去而形成太阳系的“抛射机制”，在“抛射机制”中引入了太阳活动的理论，讨论并计算了太阳内部能量的转化和能量爆发过程，得出下列结论：

１．由太阳的较差自转将太阳的核反应能量转化成磁场能量，在局部区域能量密度不断增大，最终引起日面上发生大规模能量爆发。抛射出的物质同时也带走了太阳表面的角动量，使太阳自转越来越慢，当太阳自转已不能积聚起足够的能量形成大规模能量爆发时，太阳维持其稳定的自转不变。

２．抛射物经降温后，由重元素及矿物构成的土物质在近日点范围内先形成太阳系的三颗内行星；而由轻元素构成的冰、气物质在远离太阳的地方生成四颗外行星；

３．按太阳抛射物质的速率和自转率的变化，计算了在整个抛射期间，太阳共损失了3.35×10⁴³kg·m²/s的角动量，与现在实测的太阳系总角动量相当；

４．根据太阳大气的组成，计算了土、冰、气物质的平均密度和质量相对百分率，与内、外行星的实测数据非常相似；

５．合理地解释了球状陨星的生成机理，并反证了太阳系的“抛射”假设。

参 考 文 献
[1]     王家龙，中国科学（A辑），[9]，840（1985）。
[2]     胡文瑞，科学通报，7，420，（1981）。
[3]     刘新萍，中国科学（A辑），[9]，973（1987）。
[4]      （美）马丁·哈威特著，万簌等译，天体物理学概念，42，科学出版社，北京，1981。
[5]     （美）E.Ｈ.阿雷特主编，李致森等译，黄磷校，天体物理学前沿，9、10、116，科学出版社，北京，1982。
[6]     张元东、李维宝，太阳黑子，177，186，中国华侨出版公司，北京，1989。
[7]     胡文瑞，李建国，中国科学（A辑），[10]，1310（1986）。
[8]     Grossman,L.and Larimer，Ｊ．W, Rer, eophys．Spacephys．12(1874),71-101．
[9]     Grossman , L．geochim．Cosmochim , Acta,V36(1972),597-619．
[10]     Lewis,J．S．,Sci．Letters．15(1972b),281-290．
[11]     Cameron, A．G．W．and Pine, M．Ｒ．,Icarus,18(1972),377-406．
[12]     黄克谅,天文学导论(下册),795,科学出版社,北京,1983。
[13]      （日）饭日修一等著，曲长芝译，郭永红校，物理学常用数据表（第二版）377，科学出版社，北京，1987。
[14]      张桂清、朱翠莲、孔繁熙，伴有快速变化的异常磁结构黑子与质子耀斑的关系，《天文学报》，25(1)，1984。
[15]      丁有济、张柏荣、李维宝等，黑子半影旋涡和高能耀斑的相关性探讨，《天文学报》，17(1),1976.
[16]     中国大百科全书(天文学),中国百科全书出版社,542,北京。

ORIGIN OF THE SOLAR SYSTEM
Deng yi (China Carbon Black Institute Zigong Sichuan 643000 dy414@sina.com)

Abstract: All the substance centrally accumulates and forms a high speed rotating sphere, namely original sun, when original sun nebula is collapsed. During the period of Taurus T type star , the nuclear energy is conversed into magnetic energy by the solar differential rotation and the high energy magnetic line pipe go up toward to the surface of the sun .Consequently ,energy is exquisitely broken forth ,and substance of the sun is ejected out .Angle momentum of about 3.35×10⁴³ kg· m²/s is lost from the sun with the ejected substance. It is in agreement with the actual measurement 3.155×10⁴³kg·m²/s of the total solar system .The high temperature ejected substance is cooled and agglomerate to form a planetesimal disc rotating around the sun and consisting of soil、ice and gas substance, and ultimately form all planets in the solar system.

Key words: Taurus T type star , solar differential rotation , magnetic force line pipe, magnetic flotage , ejected out ,agglomerate

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