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第23章 发现星空(4)

尘粒的质量比气体分子大,所以热运动速度较小,在太阳引力垂直分量的作用下,尘粒将在气体里沉淀,向赤道面下沉。但是,气体的摩擦力会对这种下沉起阻凝作用。于是,这里又出现了吸引-排斥矛盾。在这里,吸引是矛盾的主要方面,所以尘粒还是下沉,于是形成薄薄的一个尘层,行星就在尘层里逐步形成。尘粒集聚成较大的固体块,称为星子。后来,星子逐步结合成为行星和卫星。在太阳系天体的形成过程结束以后,星云盘物质的绝大部分不是归入行星、卫星、小行星、彗星,就是跑掉了。星云盘也就消失了。残余的物质则成为行星际空间里的大大小小的流星体和行星际气体。

延伸阅读——行星的形成

现在,地球和其他类地行星基本上是固态的,所以只能是由固体质点和固体块集聚形成的。类地区里由于温度高,气物质和冰物质绝大部分都挥发掉了。天王星和海王星也是固态的,但大部分是冰,最多的是水冰和水化氨冻结成的冰。木星和土星的核心部分是由土物质和冰物质组成的固体,中部和外部是液态的,中部主要是金属氢,外部主要是分子氢。

尘粒在星云盘内气体中下沉时就已开始集聚了,它们一边下沉,一边集聚。这是行星形成过程的头一个阶段。尘粒的集聚只能靠碰撞。尘粒之间有相对运动速度,包括热运动和随着气体湍流的运动。如果两尘粒大小差不多,相碰时可能碰碎,但也可能是一个尘粒和另一尘粒的一部分(碎块)结合起来。如果大小相差很多,那么,碰撞的结果常会是较小尘粒的全部或一部分被较大的尘粒吃掉。当尘粒长大到不能再称为尘粒而应当称为星子时,大的星子遇到小的星子或尘粒,就更容易把它们吃掉。这个过程叫做碰撞吸积。由于运动和碰撞的随机性,由尘粒形成的星子在大小方面可以相差很多。尘层形成后,由于密度增大,碰撞会更加频繁,星子就长大得更快。那时,在今天每个行星所占据的区域里总会出现一个最大的星子,这样的星子便是行星的胚胎,称为行星胎。如果最大的星子不久以后在碰撞中被碰掉了相当大一部分,不成为最大星子了,那么原来第二大的星子就升上来,成为行星胎。

当行星胎半径大到1000米左右时,它的质量已经大到需要考虑它对星子的吸引了。在这以前,集聚只靠碰撞,只有星子碰到行星胎时才会被吃掉;现在,只要星子接近行星胎到一定距离,它的运动方向就会由于行星胎的吸引而弯曲,逐渐接近行星胎,终于被吃掉。行星胎的生长主要靠引力,称为引力吸积。在一段时期内,碰撞吸积和引力吸积都起作用;以后,引力的作用便大大超过碰撞的作用,只需要考虑引力吸积了。

星子的平均半径越大,空间密度(单位空间体积内星子的数目)就越小。由于星子运动的随机性,从一个局部范围看,星子的分布可以很不均匀,每个星子常会处于一个不对称的引力场中,从而受到加速。所以,随着星子的增大,星子间的相对速度不是减小,而是缓慢地增大。星子是由尘粒形成的,原来的尘层已不能再称为尘层,而应当改称为吸积层。

在天海区里,由于离太阳远,太阳的吸引力微弱,逃逸速度小,气体逐渐逃逸掉了。气体的逃逸是很慢的,但由于星云盘里离太阳越远物质越稀薄,所以天海区里物质的密度比木土区和类地区都小得多,行星的形成过程进行得很慢,所以当天王星和海王星长大到足够吸积气体时,气体已经跑光了。所以,天王星和海王星的体积和质量比木星和土星小,除大气以外,整个是固体,大部分是冰。

星星的种种颜色

每当晴朗的夜空我们抬头望去,总是能望到许多闪烁的星星。这些星星的样子看起来都差不多,只是有明有暗,颜色像是白色。可是,如果你仔细地观察星星的话,你会发现恒星大都呈现出某种颜色,如红、黄、蓝等。

在中国的《史记·天官书》中,西汉时期司马迁提出了关于恒星颜色的记述:“白如狼,赤比心,黄比参左肩,苍比参右肩,黑比奎大星。”意思是说,天狼星(大犬α)色白,心宿二(天蝎α)色红,参宿(猎户座)的左肩(猎户α)和右肩(猎户ξ)一个色黄/一个色苍,而奎大星(仙女α)色暗。中国古代天文学家对恒星颜色观测实在是太精细了!那么,恒星为什么会有不同的颜色呢?

解开恒星颜色之谜

20世纪初,根据相对论,物理学家爱因斯坦推出了一个质量和能量关系式,从而帮助天文学家解决了“恒星为什么会发光”这个问题。原来恒星内部的温度高达1000万℃以上,那里的物质会发生热核反应,4个氢原子发生核聚,从而产生1个氦原子核,同时放出巨大的能量。于是,这种能量以辐射的方式由内传到外,从恒星表面发射至空间,以维持它们长期闪闪发光。

而光的本质是电磁波,如果以波长的长短按顺序排列,电磁波中有无线电波、远红外线、红外线、可见光、紫外线、远紫外线、X射线、γ射线等,它们之间最重要的差别就在于波长的不同,所以它们的各自性质也大不相同。

红光波长在可见光中最长,而蓝光波长最短。波长较短的光频率较高,因为光子能量与频率是成正比的,其光子能量也较高。按照物理学中的“维恩位移定律”,如果发光体属于“黑体”(不会反射任何波长的光,只发射连续波长的光的理想物体),那么该发光体光强最大值处所在的波长会随着温度的升高而变短,频率也越高。恒星一般来说都被近似地视为黑体。因此,恒星所呈现出的不同颜色,也就反映了了它们表面所处的不同温度。比如,蓝色的星星大约为10000 开,温度较高;而红色的星星大约为3000开,温度较低;黄色的星星大约为6000开,温度居中,我们的太阳就属于黄色的恒星。

如何测得恒星颜色

用目视的方法虽然能够观测到恒星的颜色,但却存在着一个很大的问题,因为不同的人观察时不可避免的会带有主观随意性,也就会有很不相同的结果。而自从照相技术产生之后,很快被用于天文观测,但就对不同波长光的灵敏度而言,照相底片与人眼是有很大不同的,而且它不能直接分辨出光的颜色。天文学家为了解决这些问题,又在照相底片加上了某种特定颜色的滤光片,如只透过波长在5500埃附近的绿光的“V ”滤光片和只透过波长在4400埃附近的蓝光的“B ”滤光片等。经过滤光片后得到的星象,就成为呈现某种颜色的单色星象了。所以,由单色星象确定的星等如“B 星等”、“V 星等”是单色星等,也和由白光星象确定的白色星等不同。

不过只有单色星等也还是不够的,因为有些距离遥远的恒星其单色星象很微弱,而它的却不一定温度就很低。如果我们想要用单色星等表示出恒星的温度,可以假定B 和V 分别代表一颗恒星的B 星等值和V 星等值,定义CT等于B 和V 的比值,即CT=B/V,那么,CT的值在恒星的温度较高时就一定较大;在恒星温度较低时也一定较小。据此,CT被天文学家们称为恒星的“色温”。

由恒星的B 星等值和V 星等值还可以得到恒星的“色指数”CI,这是另外一个很有用的量,它等于其B 星等值和V 星等值的差,即CI=B-V。色指数也是一个可以直接表示恒星温度。这样,因为通过观测我们可以直接得到一颗恒星的B 星等值和V星等值,我们也就可直接“观测”恒星的温度了。

点击谜团——星星为何会“眨眼”

你是否曾经注意过游泳池底下的硬币是怎样摇摆不定的?这是因为,池水会使其中的硬币反射回来的光线发生偏折。同样地,星星会闪烁,也是因为星光要到达人眼,也必须先穿过好几千米的大气层。

地球的大气层是动荡不安,气流与涡流随时都处在形成、扰动与消散的状态之中。就像透镜与棱镜一样,这些流变会让星光的位置每秒种改变好几次。但像月亮,因为体积巨大,这些偏移会平均掉。反之,星星的距离要远得多,形同点光源,所以星光快速地左右偏移,亮度也会闪烁不定,在地球上看起来像是星星在眨眼。至于如火星、金星与木星等看起来很亮的行星距离地球就要近得多,从望眼镜看来也像是个可以测量的圆盘,同样也会平均掉盘沿产生的闪烁,因此从这些星球发出的光也就不会有太大的变化。

行星为何会有光环

在太阳系中,土星被誉为最美丽的天体,人么把它那美丽的光环看作不可思议的奇迹。而现在,经过大量研究科学家发现,在太阳系8大行星中,不仅土星,木星、天王星和海王星也都戴着光环。

土星在这4颗行星(戴着光环的)中的光环最为壮观和奇丽。历史上意大利天文学家伽利略首先发现了土星的光环,然而遗憾的是,直到伽利略去世,他也没有弄清楚那些东西究竟是什么东西。

其实,一般情况下行星的光环是由冷冻气体和尘埃共同构成的,构成行星光环的物质微粒的大小决定了其色彩。由于构成行星光环的微粒体积不同,因而对白色太阳光的散射程度也有所不同,体积较大的微粒对太阳光的散射接近色谱红色区域,而体积较小的微粒则靠近蓝色区域。

最美丽的土星光环

研究发现,蜂窝般的太空碎片、岩石和冰组成了土星的光环。主要的土星环宽度从48千米到30.2万千米不等,距离土星从近到远的土星环以英文字母的头7个命名,分别以被发现的顺序命名为D、C、B、A、F、G和E。在太阳系形成早期,土星及土星环就已经形成,当时宇宙尘埃和气体包围着太阳,最后形成了土星和土星环。

从另一个角度来看,土星反而独具丰姿。当伽利略第一次观察土星时,发现它的形状有些独特,好像球体的两侧还有两个小球。经过继续观察,他发现渐渐很难看见那两个小球,终于到1612年年底时,同时消失不见了。

其他天文学家也报告过土星的这种奇怪现象;但直到1656年,惠更斯才提出了正确的解释,他认为,土星外围环绕着的事一圈光环,又亮又薄,而且光环与土星是不接触的。

与地球一样,土星的自转轴也是倾斜的,轴倾角是26.73°,地球是23.45°。由于土星的光环和赤道位于同一平面上,所以它是对着太阳同时也对着我们倾斜的。在土星运行到轨道一端的时候,由上向下我们可以看见光环近的一面,而远的一面仍被挡住了。当土星在轨道的另一端时,由下向上我们就可以看到光环近的一面,而远的一面依然看不到。

需要花费14年多一点土星才能从轨道的一侧转到另一侧。光环在这段时间内也逐渐由最下方移向最上方。光环行至半路时,正好移动到中间,这时我们观察到光环两面的边缘状如“一条线”,连接在一起,随后土星沿着另一半轨道继续运行,绕回原来的起点,这时光环由最上方向最下方又逐渐地移动;移到正中间时,我们又能看见其边缘连接在一起。当光环状如“一条线”时,就如同消失了一般,因为土星环实在是太薄了。伽利略在1612年看到的正是这种情景;据说由于懊恼,他没有再观察过土星。

神秘的木星光环

行星际空间探测器的发射使太阳系天体中许多前所未知的事实不断被揭示出来,其中的一个就是木星环的发现。 “先锋11号”探测器早在1974年访问木星时,就曾在离木星约13万千米处观测到高能带电粒子的吸收特征。

1977年8月20日和9月5日,美国又先后发射了空间探测器“旅行者1号”和“旅行者2号”。“旅行者1号”经过一年半的长途跋涉,穿过木星赤道面,这时在离木星120万千米的地方它用携带的窄角照相机拍到了木星环照片(亮度十分暗弱)。同年7月,后到达的“旅行者2号”又获得了有关木星环的更多信息。

通过研究空间飞船所拍得的照片,现已知道木星环系主要由3个部分组成:亮环、暗环和晕。环的厚度不超过30千米,亮环宽6000千米,离木星中心约13万千米。暗环在亮环的内侧,宽可达5万千米,内边缘几乎同木星大气层相接。亮环的不透明度很低,环粒只能截收通过阳光的大约万分之一。靠近亮环的外缘有一个亮带,宽约700千米,比环的其余部分约亮十分之一,暗环的亮度只及亮度环的几分之一。晕的延伸范围很大,可达环面上下各1万千米,在暗环两旁延伸到最远点,比起亮环,外边界略远一些。

与众不同的天王星环

由于相对运动,远方恒星有时会移动到如月亮、行星或小行星等太阳系天体的正后方,这种现象称为掩星。掩星发生时,如果近距天体不存在大气,星光便会马上消失。如果天体外围有大气,在完全消失前星光会有一个略被减弱的过程。

1977年3月10日,科学家发现了一次罕见天象——天王星掩星,被掩的是一颗暗星。然而让人意外的是,在预报被掩时刻前的35分钟小星出现了“闪烁”,换句话说,星光减弱然后马上又复亮。这种闪烁连续出现了好几次。这颗星结束掩星过程后,闪烁现象又会再次出现。以后,经过仔细研究观测结果,发现闪烁的原因是归根于王星环的存在。

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