2012-04-18 10:38:50幻羽

太陽系--太陽--宇宙塵--黃道塵雲--黃道光



太陽系的主要成員:由左至右依序為(未依照比例)海王星、天王星、土星、木星、小行星帶、太陽、水星、金星、地球和月球、火星,在左邊可以看見一顆彗星。

太陽系的形成據信應該是依據星雲假說,最早是在1755年由康德和1796年由拉普拉斯各自獨立提出的。 這個理論認為太陽系是在46億年前從一個巨大的分子雲的塌縮中形成的。這個星雲原本有數光年的大小,並且同時誕生了數顆恆星。研究古老的隕石追溯到的元素顯示,只有超新星爆炸的心臟部分才能產生這些元素,所以包含太陽的星團必然在超新星殘骸的附近。可能是來自超新星爆炸的震波使鄰近太陽附近的星雲密度增高,使得重力得以克服內部氣體的膨脹壓力造成塌縮,因而觸發了太陽的誕生。

被認定為原太陽星雲的地區就是日後將形成太陽系的地區,直徑估計在7,000至20,000天文單位,而質量僅比太陽多一點。當星雲開始塌縮時,角動量守恆定律使它的轉速加快,內部原子相互碰撞的頻率增加。其中心區域集中了大部分的質量,溫度也比周圍的圓盤更熱。當重力、氣體壓力、磁場和自轉作用在收縮的星雲上時,它開始變得扁平成為旋轉的原行星盤,而直徑大約200天文單位,並且在中心有一個熱且稠密的原恆星。

對年輕的金牛T星的研究,相信質量與預融合階段發展的太陽非常相似,顯示在形成階段經常都會有原行星物質的圓盤伴隨著(質量約為0.001至0.1太陽質量),這些圓盤可以延伸至數百天文單位,並且最熱的部分可以達到數千K的高溫。

一億年後,在塌縮的星雲中心,壓力和密度將大到足以使原始太陽的氫開始熱融合,這會一直增加直到流體靜力平衡,使熱能足以抵抗重力的收縮能。這時太陽才成為一顆真正的恆星。

相信經由吸積的作用,各種各樣的行星將從雲氣(太陽星雲)中剩餘的氣體和塵埃中誕生:當塵粒的顆粒還在環繞中心的原恆星時,行星就已經開始成長; 然後經由直接的接觸,聚集成1至10公里直徑的叢集; 接著經由碰撞形成更大的個體,成為直徑大約5公里的星子; 在未來的數百萬年中,經由進一步的碰撞以每年15公分的的速度繼續成長。

在太陽系的內側,因為過度的溫暖使水和甲烷這種易揮發的分子不能凝聚,因此形成的星子相對的就比較小(僅佔有圓盤質量的0.6%),並且主要的成分是熔點較高的矽酸鹽和金屬等化合物。這些石質的天體最後就成為類地行星。再遠一點的星子,受到木星引力的影響,不能凝聚在一起成為原行星,而成為現在所見到的小行星帶。

在更遠的距離上,在凍結線之外,易揮發的物質也能凍結成固體,就形成了木星和土星這些巨大的氣體巨星。天王星和海王星獲得的材料較少,並且因為核心被認為主要是冰(氫化物),因此被稱為冰巨星。一旦年輕的太陽開始產生能量,太陽風會將原行星盤中的物質吹入行星際空間,從而結束行星的成長。年輕的金牛座T星的恆星風就比處於穩定階段的較老的恆星強得多。

根據天文學家的推測,目前的太陽系會維持直到太陽離開主序。由於太陽是利用其內部的氫作為燃料,為了能夠利用剩餘的燃料,太陽會變得越來越熱,於是燃燒的速度也越來越快。這就導致太陽不斷變亮,變亮速度大約為每11億年增亮10%。

從現在起再過大約76億年,太陽的核心將會熱得足以使外層氫發生融合,這會導致太陽膨脹到現在半徑的260倍,變為一顆紅巨星。此時,由於體積與表面積的擴大,太陽的總光度增加,但表面溫度下降,單位面積的光度變暗。隨後,太陽的外層被逐漸拋離,最後裸露出核心成為一顆白矮星,一個極為緻密的天體,只有地球的大小卻有著原來太陽一半的質量。

太陽是太陽系的母星,也是最主要和最重要的成員。它有足夠的質量讓內部的壓力與密度足以抑制和承受核融合產生的巨大能量,並以輻射的型式,例如可見光,讓能量穩定的進入太空。太陽在分類上是一顆中等大小的黃矮星,不過這樣的名稱很容易讓人誤會,其實在我們的星系中,太陽是相當大與明亮的。恆星是依據赫羅圖的表面溫度與亮度對應關係來分類的。通常,溫度高的恆星也會比較明亮,而遵循此一規律的恆星都會位在所謂的主序帶上,太陽就在這個帶子的中央。但是,比太陽大且亮的星並不多,而比較暗淡和低溫的恆星則很多。

太陽在恆星演化的階段正處於「壯年期」,尚未用盡在核心進行核融合的氫。太陽的亮度仍會與日俱增,早期的亮度只是現在的75%。計算太陽內部氫與氦的比例,認為太陽已經完成生命週期的一半,在大約50億年後,太陽將離開主序帶,並變得更大與更加明亮,但表面溫度卻降低的紅巨星, 屆時它的亮度將是目前的數千倍。

太陽是在宇宙演化後期才誕生的第一星族恆星,它比第二星族的恆星擁有更多比氫和氦重的金屬(這是天文學的說法:原子序數大於氦的都是金屬。)。比氫和氦重的元素是在恆星的核心形成的,必須經由超新星爆炸才能釋入宇宙的空間內。換言之,第一代恆星死亡之後宇宙中才有這些重元素。最老的恆星只有少量的金屬,後來誕生的才有較多的金屬。高金屬含量被認為是太陽能發展出行星系統的關鍵,因行星是由累積的金屬物質形成的。

除了光,太陽也不斷的放射出電子流(電漿),也就是所謂的太陽風。這股微粒子流的速度為每小時150萬公里, 在太陽系內創造出稀薄的大氣層(太陽圈),範圍至少達到100天文單位(日球層頂),也就是我們所認知的行星際物質。 太陽的黑子週期(11年)和頻繁的閃焰、日冕物質拋射在太陽圈內造成的干擾,產生了太空氣候。伴隨太陽自轉而轉動的磁場在行星際物質中所產生的太陽圈電流片,是太陽系內最大的結構。

地球的磁場從與太陽風的互動中保護著地球大氣層。水星和金星因為沒有磁場,太陽風使它們的大氣層逐漸流失至太空中。 太陽風和地球磁場交互作用產生的極光,可以在接近地球的磁極(如南極與北極)的附近看見。

宇宙線是來自太陽系外的,太陽圈屏障著太陽系,行星的磁場也為行星自身提供了一些保護。宇宙線在行星際物質內的密度和太陽磁場週期的強度變動有關,但是宇宙線在太陽系內的變動幅度究竟是多少,仍然是未知的。

行星際物質至少在在兩個盤狀區域內聚集成宇宙塵。第一個區域是黃道塵雲,位於內太陽系,並且是黃道光的起因。它們可能是小行星帶內的天體和行星相互撞擊所產生的。第二個區域大約伸展在10-40天文單位的範圍內的古柏帶,帶內的天體可能是在相似的互相撞擊下產生的。

宇宙塵(Cosmic Dust)是由眾多細小粒子組成的一種固態塵埃,自宇宙大爆炸起,便四散在浩翰宇宙之中。宇宙塵的組成包含矽酸鹽、碳等元素以及水分,部分來自彗星、小行星等星體的崩解而產生。

宇宙塵對一個天體的誕生亦有影響,例如一個星體崩壞後所產生的宇宙塵,在經過漫長的宇宙旅程後,可能與一個正在形成的星體撞上,於是又循環成為了一個新的星體。在太陽系中,木星、土星、天王星、海王星等行星的光環,即是由於在行星初形成時,碎裂的宇宙塵未能融為星球的主體,但卻又無法擺脫行星萬有引力的牽制而產生圍繞著星球的破碎物質。

行星際塵雲是瀰漫在太陽系的行星空間與其它行星系空間的宇宙塵(漂浮在太空中的小顆粒)。它已經被研究了許多年,以了解其本質、起源和大天體之間的關係。

在我們的太陽系,行星際塵埃粒子不僅散射陽光(稱為"黃道光",因為它們被侷限在黃道平面),也產生熱輻射,這是夜晚的天空中5至50微米波長的主要來源(Levasseur-Regourd, A.C. 1996)。這些在地球附近輻射出紅外線特徵的顆粒,典型的大小在50至100微米(Backman, D., 1997)。這些星際塵埃的總質量相當於一顆半徑15公里的小行星(密度大約是2.5公克/公分3)。

行星際塵埃粒子(IDPS)的來源至少有下列幾種:小行星的碰撞/彗星在內太陽系的活動和碰撞/古柏帶天體的碰撞/行星際物質(ISM)的顆粒。 的確在對行星際塵雲長期的爭辯中,都圍繞在小行星碰撞和彗星活動可能造成的影響上。影響星際塵埃粒子的主要物理過程毀壞或驅除的機制)如下:被輻射壓驅散,來自內部的波印廷-羅伯遜輻射阻力、太陽風壓力主要是電磁力的效應、昇華、互相碰撞和行星的動力學效應。

與太陽系的生命相比,這些塵埃顆粒的生命是短暫的。如果發現一顆存活超過一億年的顆粒,那這個顆粒一定是從更大的碎片中被釋放出來的。換言之,絕不可能是原行星盤內殘留的物質,所以這顆顆粒是"後來產生"的塵埃。在太陽系的黃道帶中塵粒的99.9%是後來產生的,只有0.1%是由太陽系外闖入的星際物質。所有太陽系形成時期的原始顆粒早已經都消失了。主要受到輻射壓力影響的粒子稱為β流星體。它們通常小於 1.4 x 10−12公克,和以螺旋的路徑離開太陽進入星際空間。

行星際塵埃有很複雜的結構,至少8種塵埃痕跡- 它們的來源被認為是短周期彗星。一定數量的塵埃集結成帶,它們的來源被認為是在小行星主帶內的小行星族。三條最明顯的是來自曙神星族、鴉女星族、和司理星族,其它的還有瑪利亞族、司法星族,灶神星族和健神星族也都有可能。

在1951年,弗雷德·惠普爾預言直徑小於100微米的流星體在撞擊地球高層的大氣層時可能會減速而不會被熔化。近代在實驗室內對這些粒子進行的研究,開始於D. E. Brownlee和合作者在1970年代以氣球在平流層飛行,然後是U-2飛機。

雖然有一些粒子發現與現今蒐集的隕石材料類似,自然的奈米多孔和數量不等的其它粒子宇宙平均成分,暗示剛開始聚集的是細顆粒的非揮發性的構建基塊和彗星的冰。這些自然的行星際顆粒稍後被證實還有惰性氣體和太陽閃焰的痕跡觀測。

一個不分好壞混雜和蒐集在這種情況下的大氣層中粒子計畫在德州的詹森太空中心發展出來。這些平流層蒐集的微流星體,隨著流星體而來的前太陽顆粒,是在實驗室內可以研究的地球外的物質唯一的來源(共不用說是在他們自己位置的小天體)。

黃道光是在夜空中靠近太陽的地方,沿著黃道或黃道帶泛出略呈三角形的白色微光。在北半球的中緯度地區,最適合觀察黃道光的時段是春季的暮光完全消失之後的西方天空,或是秋季曙光出現之前的東方天空。因為黃道光非常黯淡,月光或光污染很容易蓋住黃道光。黃道光的強度會隨者遠離太陽而減弱,但在非常黑暗的夜晚也能觀察到黃道光籠罩著整個黃道。事實上黃道光是散逸在整個天空的,在晴朗五月的夜晚大約能夠佔到夜天光總亮度的60%。在背對太陽的方向上可以看見一團微弱但比周圍稍亮一點的橢圓形的光暈,這就是所謂的對日照。

黃道光是被散佈在太陽系內的塵埃粒子反射的太陽光,因此其光譜與太陽光是相近的。太陽系內的這些塵埃粒子稱為行星際塵雲,以太陽為中心呈現透鏡的形狀,一直擴散到地球公轉軌道以外的空間。因為大部分行星際灰塵都位於黃道面上,所以看見的黃道光就沿著黃道散發出來。形成黃道光所需要的物質總量非常少,如果這些塵埃粒子的直徑都是1mm、反照率(反射光線的能力)和月球相當,那麼每隔8公里需要一顆塵粒。對日照則是由在地球上看來正好對背著太陽方向的塵埃粒子造成的,能看見的發出微光的範圍大約是滿月大小。

坡印亭-羅伯遜效應會造成塵粒緩慢的以螺旋的路徑進入太陽,因此必須有源源不斷的新塵粒來補充黃道中的雲氣。來自彗星塵埃尾和小行星碰撞產生的塵埃粒子是補充形成黃道光和對日照的顆粒最主要的來源。這幾年,來自不同太空船的觀測顯示,確實有一些帶狀分布的塵埃粒子是與一些特定的小行星族和彗尾有所關聯。

在以前,黃道光被認為只是太陽的大氣層。依據1728年的通用百科詞典:黃道光中一無所有,只是太陽大氣中難以捉摸的罕見流體,不是被自己照亮,就是太陽這個球體本身發出的光輝;但在它的赤道上有較大的數量,並且比其它地方更為廣泛。最早開始研究黃道光現象的是天文學家喬凡尼·卡西尼於1683年的描述,而Nicolas Fatio de Duillier在1684年做出了解釋。但Joshua Childrey在1661年就已經正確的認知黃道光是太陽系中的塵埃粒子散射陽光產生的光輝。

伊斯蘭教的先知穆罕默德描述黃道光是每日晨禱的時計,稱之為"虛假曙光" (阿拉伯語:al-fajr al-kaadhib‎ الفجر الكاذب)。穆斯林的口授傳統保留了許多穆罕默德的聖訓或警語,描述虛假曙光和暮曙光的差異,是在日落後或日出前很久,真正曙光之前在地平線上的第一道光。幹練的伊斯蘭教徒使用穆罕默德的描述來說明黃道光,以避免在錯誤的決定進行晨禱的時間。這種實際的描述和應用天文觀測對維繫伊斯蘭天文學的黃金時期至關重要。

                     

                 在清晨的曙光之前,在東方天空看見的黃道光。