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第17章 宇宙探秘(2)

在过去很长一段时间里,不断有消息说,发现某颗某颗恒星周围可能有行星,到了20世纪80年代,这类消息更是接连不断。可是,其中有的被认为可能只是处于演化初期阶段的行星“胎儿”,有的真实性仍有争议,有的则被完全否定了。

真正发现太阳系外行星的历史是从1995年开始的,这年的10月,两位瑞士天文学家发现“飞马座51号”星周围存在着一颗行星类天体,它被命名为“飞马51B”。三个月后,两位美国天文学家发现“室女座70号”星和“大熊座47号”星周围也存在行星类天体,它们分别被称为“室女70B”和“大熊47B”。从那时起到现在,被确认为是太阳系外行星的天体,至少已找到了10颗以上,可说是硕果累累。一个非常值得注意的情况是:这些被认为是行星的天体,比我们原先想象的要复杂得多,它们有的表面温度比较高,有的绕主星的轨道偏心率比较大。可以肯定,这样的行星上是不可能存在生命的。

具有重要意义的是,在离我们太阳系不算远的地方,也存在着类似于我们太阳系这样的“太阳系”。因此,我们不难想象,光是在银河系中,就可能存在着为数众多的“太阳系”。

太阳系只有九大行星吗

太阳系有几颗行星?大多数人都会毫不犹豫地回答:九颗。内行一点的人甚至更进一步,明确地说出这九大行星的名称来。

但是,现在天文学家却不满足于这个答案了。他们在想:太阳系是否只有九大行星?有没有第十大行星呢?

为什么有人会认为太阳系存在第十颗行星的可能呢?其实,道理也不复杂,只不过是类似规则的推理而已。

1781年,威廉·赫歇耳发现天王星后,天文学家们注意到,天王星在绕太阳运行时,总是偏离轨道,这表明其附近还有星体存在。于是,1846年,人们发现了海王星。

接着,天文学家又发现,海王星的运行轨道也不规则。果然,1930年,冥王星被发现了。可是,科学家们发现,冥王星的体积和质量根本不可能对海王星和天王星的运行产生较大的影响,这两者的不规则运行可能另有他因。很自然地,有人提出,太阳系中不仅有九大行星,很可能在距离太阳的遥远处还有第十大行星存在。

这“第十大行星”被人们称为冥外行星。人们对它进行了种种猜测,有人认为它与太阳大小相仿,在距离冥王星80亿千米之外运行;还有人认为它的质量为太阳的10倍,距太阳160亿千米。

20世纪90年代初,科学家又提出了两种说法:一种认为冥外行星位于距太阳150亿千米处,质量为地球的124倍;另一种则认为它的体积与质量都相似于天王星,距离太阳800亿千米。

目前,关于第十大行星的探索又有了新的进展。

科学家们认为,第十大行星并非远在冥王星之外,而是在我们的地球轨道上,是地球的孪生兄弟,体积与地球差不多,其位置在太阳的背面,而且绕太阳公转的速度与地球完全相同,即地球轨道上的同步行星,所以从地球上看,它永远在太阳背面,人类一直不能发现它。

目前,科学家们正致力于找到地球的这个孪生兄弟——如果它真的存在的话。以现有的技术能力而言,完全可以发射一颗人造卫星来证明其是否存在。

九大行星排成“十字连星”会引起灾难吗

我们知道,太阳系的九大行星在各自的轨道上,以不同的周期绕太阳运转。有时太阳和九大行星会出现一些有趣的排列。例如,1982年,九大行星运行到太阳同一侧的一个扇区内,从太阳看去,九大行星好像一连串的珠子,形成罕见的天象“九星连珠”。1999年8月18日,九大行星将以地球为中心排列成所谓的“十字连星”。

这些都是天体运行过程中的自然现象,完全符合人们早就总结出来的行星运动三定理和牛顿万有引力定律。

但是,这些现象却被有些人广为宣传。他们危言耸听,著书立说,说什么“人类的大灾难到了”。这些“预言”所谓的“科学依据”是,当九大行星排列成“九星连珠”和“十字连星”时,它们的电磁场和万有引力叠加在一起,会引起地球上洪涝、地震、火山爆发等一连串大灾难,甚至可以突然刹住地球的自转,将地球扯破。

许多严肃的科学家对此据理反驳。由于其他八大行星离地球很远,即使它们真正排成一条直线,而不是“看起来排成一列”,它们对地球的起潮力总和还不到月球起潮力的十万分之一。这样算来,最多可使海潮增高0.06毫米。如果这些行星不是排成一条直线,而是排成什么“十字连星”,那么它们对地球的万有引力,将互相抵消掉一部分甚至全部,其影响更是子虚乌有。至于电磁场的影响更是微不足道。

事实是揭穿谎言的最有力武器。“九星连珠”和“十字连星”都如期发生了,地球还是好好地按照自己的运动轨道,一面自转一面绕着太阳公转,地球上也没有出现什么重大的异常情况。

科学家指出,宇宙中的天体对地球的影响是一个长期的过程。例如,太阳将来会膨胀成一颗红巨星,那时,地球有可能被吞没,但这至少是50亿年后的事。又比如,地球的自转的确在变慢,地球最初形成时自转一周只要3个多小时,经过几十亿年的漫长过程,现在自转一周是23小时56分,将来还会慢下去,大约是每过100年,1天要加长0.001秒,直到“1天”等于1030小时(大约相当于现在43天)。这也没什么好大惊小怪的,因为等到“1天”增加到1000多小时,还得过2000多亿年呢!那时,太阳早已不存在了。

自古以来,经常有人别有用心地预言各种“大灾难”会出现,并为它们披上科学的外衣。只要掌握了科学知识,就可以识破其本来面目,而不必为几十亿年后的事情忧心忡忡。

太阳的光和热来自哪里

太阳是太阳系中最大的天体,包含了太阳系将近98%的质量。就体积而言,需要109个地球才能填满太阳的横截面,而它的内部则能容纳超过130万个地球。

而我们最为关心的问题是,偌大一个太阳,每时每刻源源不断地输出光和热,这些光和热来自于哪里呢?

太阳的光和热来自于其核心部分。太阳的核心温度高达1500万℃,压力超过地球的340亿倍,这里不停地发生着核聚变。

核聚变导致四个质子产生一个α粒子或氦原子核。α粒子的质量比四个质子小0.7%,亏损的质量转化成了能量并被传输到太阳的表面,并通过辐射散发出光和热。

太阳核心的能量需要经过几百万年才能到达它的表面。每秒钟有7亿吨的氢被转化成氦。在这一过程中,约有500万吨的净质量被转化成能量释放,因此使太阳能够发光。

太阳的发光并不是人们所想象的燃烧,而是依靠原子能来发光的。图为太阳产生的七彩光和光谱。

我们见到的太阳表面称为光球层,温度为6000℃。由于光球层的剧烈活动,其表面呈现斑驳的特征。在光球层的某些区域,温度比周围稍微低一些的,便是黑子。

光球层的上面是色球层,外层温度高达几万摄氏度。色球层可见太阳耀斑。耀斑是太阳黑子上方的、突发短寿命(有的只有几分钟)的明亮物,又称色球爆发。大的耀斑事件会发射出X射线、紫外辐射、射电辐射,并抛出高能电子,会对地磁场造成影响。

太阳大气的最外层称为日冕。日冕区域有日珥,日珥是色球层上部产生的巨大火焰。日冕的最外层向太空伸展并辐射出从太阳产生的粒子。日冕比较暗,只能在日全食时才能看到。

太阳的年龄约为46亿年,据推算,它还可以继续燃烧约50亿年。在其存在的最后阶段,太阳中的氦将转变成重元素,太阳的体积也将开始不断膨胀,直至将地球吞没。

在经过1亿年的红巨星阶段后,太阳将突然坍缩成一颗白矮星——所有恒星存在的最后阶段。

太阳元素有哪些

1868年8月18日,印度发生了一次日全食。法国经度局研究员、米顿天体物理现象台长詹森为了抓住这千载难逢的观测机会,特意带着他的考察队专程赶往印度观测,希望弄清日珥现象产生的原因。他在观测日全食时发现太阳的谱线中有一条黄线,并且是单线。而钠元素的谱线是双线,所以詹森肯定它不是早就发现的那种钠元素,第二天的观测也证实了这一点。

詹森把太阳中存在又一新元素的重大发现写信通知了巴黎科学院,1868年10月26日这一天,詹森收到了另一封内容相同的信,那是英国皇家科学院太阳物理天文台台长洛克耶寄来的。两个著名科学家不约而同地发现,使人们确认了这是一个新元素。这就是在地球上发现的第一个太阳元素——氦。后来,人们在地球上也发现了氦元素。

在1869年和1870年,科学家们又进行了两次日全食观测,人们又发现了一条绿色的谱线,天文学家们证实这也是一种新元素,并给它命名为“氪”,但这个元素后来没有被列入化学元素周期表。瑞典光谱学家艾德伦经过七十多年的研究,发现“氪”不过是一种残缺的铁原子——铁离子。它是失去9~14个电子的铁,是一种极其特殊环境下的铁。

经过长期的观测,科学家们发现,太阳上元素最多的是氢和氦,比较多的元素有氧、碳、氮、氖、镁、镍、硫、硅、铁、钙等10种,还有六十多种含量极其稀少的元素。到20世纪80年代,科学家们认定的太阳上的元素有73种。此外还有从氢到氦19种元素可能存在,其中包括9种放射性元素。

太阳上到底有多少种元素,相信随着探测技术的进步,这个谜很快就能解开。

什么是太阳风

太阳也“吹风”,这就是太阳风。

太阳风的名称是20世纪50年代提出来的,关于它的可能存在,好几百年前就有人这么想了,直接证据就是彗星的尾巴。

在任何时候和任何情况下,彗星的尾巴总是背着太阳。换句话说,在彗星接近太阳时,好像是彗头在前拉着彗尾一起前进;在彗星离开太阳时,好像是彗尾在前拉着彗头一起离开太阳。彗尾总是冲着与太阳相反的方向延伸,根据这一现象,许多人相信,一定是太阳上在“吹风”,将彗尾“吹”向背离太阳的方向。人们还进一步推测,太阳风是从太阳上辐射出的带电粒子。

20世纪50年代末,美国天文学家帕克正确地描述了来自太阳的这股“风”。他认为:太阳大气的最外层——日冕没有明确的边界,而是处于持续不断的膨胀状态,使得高温低密度的粒子流,高速而稳定地“吹”向四面八方。

几年之后,利用人造地球卫星等所作的观测,完全证实了太阳风的存在。这股“风”可以一直吹到我们地球,在地球轨道附近,人们测得的太阳风的速度为450千米/秒左右。

在太阳活动较强时,其速度还会成倍地增加。太阳风是股极为稀薄的风,比地球实验室所能制造的真空还要“真空”得多。

速度那么大的太阳风能“吹”多远呢?

考虑了空间各种物质成分对它的可能影响之后,科学家推算出它大致会“吹”到25~50个天文单位(1天文单位约为1.5亿千米),也许还更远些。

太阳风对研究行星磁层中出现的各种物理过程、行星际磁场的结构,特别是地磁扰动等现象,是一个非常重要的因素,只是现在对太阳风的观测和研究还很不够,对它本质的了解还需做大量的工作。

依产生和加速的机制不同,太阳风可分为两种:

(1)本底太阳风。又称宁静太阳风或持续太阳风。它是从日冕中持续不断地辐射出来的。这是由于日冕的温度高达106K数量级,而且随日心距变化缓慢,即日冕中粒子的热运动动能几乎不随高度变化。然而日冕粒子受到的吸引力却随日心距r的平方成反比而迅速下降,当r大到一定程度时,日冕粒子便可挣脱太阳对它的引力源源不断地跑出来,这就是本底太阳风。由此可见,这种太阳风就是日冕膨胀时形成的,并不断地从日冕得到热流而使太阳风加速。

由于日冕是高温等离子体,而太阳风是运动中的日冕,所以其主要成分是氢粒子,含几乎等量的质子和电子,还有少量的重离子。宁静太阳风的粒子数比较少,质子数仅约5个,风速约为300~450千米/秒。

(2)高速太阳风。1858年布朗首次发现每隔27天出现一次地磁扰动,后来蒙德尔等人证实了这个规律,而太阳的自转周期正好为27天,这就意味着在行星际空间存在着随太阳共转的太阳风高速流,速度可达600~900千米/秒,粒子含量比较多,每立方厘米有几千个质子。这种高速运动的带电粒子流冲到地球附近时,在地磁场中作漂移运动,在高空形成一个附加的环电流,环电流的周围必然会产生附加的磁场,从而扰乱了原有的地磁场。所以高速太阳风又称为扰动太阳风。这种太阳风的风源在哪里呢?比利时人巴特尔在1932年提出太阳风是从M(Mystery)区吹来的。

太阳风对行星际磁场的神秘作用

太阳风与磁场之间的相互作用相当复杂,但主要的根据还是磁力线“冻结”在作为等离子体的太阳风中的效应。在太阳附近(r<3R日)磁场很强,磁压大于太阳风的动压力,磁力线又植根于太阳光球,因而磁力线可带着太阳风与太阳同步自转。当r增大时,磁场便会减弱,此时太阳风的动能比磁场的能量大得多,太阳风便不能由磁场取得角动量,结果太阳风角速度小于太阳自转速度。太阳风携带着磁场活动,同时冻结的磁场向稀薄的太阳风等离子体提供压力和粘性。而较稠密的普通流体的压力和粘性是来于分子间的相互作用。太阳风本身的结构也比较复杂。如果太阳是静止的,太阳风只是直线型的流线。但太阳每27天自转一次,发自太阳赤道附近较快的气流能够赶上从邻近区域发出的较慢的气流,致使太阳等离子体的快气流与慢气流间的界面成为螺旋形,冻结在其中的磁力线,也被拉长成巨大的螺旋形。这是稳定的本底太阳风大致的大尺度结构。空间物理学家把具有这种结构的空间称为共转相互作用区,它大约在10天文单位范围内。高速太阳风将严重干扰稳定的太阳风,它们之间相互作用后将产生冲击波,所以在共转相互作用区之外的是全面并合相互作用区。

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