[转载]太阳系的形成过程(一) //7L更新至(二)!!!
本帖最后由 donkeybegood 于 2011-8-21 14:35 编辑图图是打酱油的,与正文无关,仅供欣赏.::31::
冰、尘埃、岩石和星子:
当太阳星云从分子云的收缩核形成之际,它受到几种过程的加热.随着物质落入环绕原太阳而形成的盘,引力势能转化为热能.转动盘内随之而来的黏性耗散和放射性元素的衰变释放出额外的能量.当这些来源把能量储存进盘的内部深处时,新生的太阳终于辐射并加热盘得表面各层.计算表明,在离太阳几天文单位之内的内盘,温度达到2000开以上.在这个区域,尘埃粒子蒸发了,以至于内盘完全是气态的.但是离原太阳越远,温度越低,在太阳星云的外部区域,距中心数十至数百天文单位处,星际分子、颗粒甚至冰都存在.
随着时间的推移,太阳星云逐渐冷却,并使得分子和固体颗粒重新形成.每一种分子和每一类颗粒都有其形成和凝聚的特征温度.受到的束缚力微弱的分子和冰只能在盘较冷的外缘部分形成.但是颗粒较大的类型,比如硅酸盐和若干种含铁化合物,能在较热的内盘形成.在存在温度梯度的情况下发生凝聚,其结果是太阳星云内的化学成分随着与年轻太阳的距离不同而有系统性的变化.
冷却盘内固体颗粒的逐渐形成对太阳星云随后的演化产生了深远影响.在星云内部,首要的凝聚物是硅酸盐和铁化合物.在外部,较冷的区域,大量的二氧化碳、水和其他类型的冰积聚起来,并与小量原本存在的星际颗粒相混合,后者是通过收缩而形成太阳及其盘的原始星云的留存物.行星形成的结果反映了这些变化.类地行星主要由岩石类物质,比如硅酸盐和金属组成,而木星及其外的气态巨行星和冰态巨行星则包含了大量的氢、氦、水和其他更少量的难熔化合物.
颗粒之间轻微的碰撞最终会形成小的、蓬松的、微粒状的团块,依靠电磁力相结合.在盘的较冷区域,与这些颗粒碰撞的原子和分子粘附其上,并促使它们变大.随着凝聚物增大,它们最终掉落到盘的中央平面上.由于不同大小和密度的颗粒以不同的速度下落,碰撞就制约了粒子的演化.轻微的碰撞促使颗粒增大,然而猛烈的碰撞则促使脆弱的粒子四分五裂.但是,平均说来,颗粒的增大和破裂两相抵消,最终还是增大占上风.计算表明,在很可能曾经存在于内太阳星云里的这些条件下,形成厘米大小的颗粒是很快的,大约只需10000年.最后卵石大小的颗粒积聚在盘的中央平面上,于是固体的丰度足以与气体相比拟,比在典型的星际云内高出多个量级.
随着中央平面内的颗粒增大至厘米和米的尺度,它们开始向正在形成中的太阳移动,并面临着可能落入其中的毁灭性命运.为了理解这一令人惊奇的结果,我们必须考虑在盘里大颗粒和小颗粒与气体怎样相互作用.原行星盘里的气体以比开普勒速度稍慢的速度环绕中央恒星旋转.这是因为压力梯度在引力与轨道运动之间起了这种作用;但是直径小于1厘米的颗粒的运动与周围气体强烈耦合.犹如雪花随风飘扬,小物体与原子和分子的碰撞导致它们随同气体一起运动.另一方面,就像大的冰雹块通过暴风骤雨下落一样,大于几厘米的颗粒的质量和惯性都相当大,它们能独立于气体而运动.比1千米更大的物体,只响应引力作用,严格地按开普勒定律环绕太阳运动,实际上不受压力梯度的影响.
颗粒在增大并与气体解耦,开始趋近于与至太阳的距离相适应的开普勒速度的时候,它们遇到了一股顶头风,这是由于气体和尘埃的环绕速度更慢产生了压力.这股顶头风消耗着轨道角动量,并促使物质向着年轻太阳的内向移动.这一效应对于厘米至米级的石块最为显著,它们以每年100万千米的速度落向太阳.一些大块的岩石能以这种速率从1天文单位的轨道上约100年内被拉入太阳!结果,大小为在几厘米至几米的岩石就有从太阳星云里消失的趋势.
这些盘旋着向内的固体块的命运怎么样呢?有些注定会掉进太阳里去,而另一些则积累在内盘的边缘.但是这些物质的大部分留存下来形成了类地行星.怎样形成的呢?我们确实还没有明晰的答案.一种可能性是这些物质很快就增大至千米尺度,还来不及落进太阳,于是留存下来形成了类地行星.以某种形式存在的千米大小和更大的天体成为星子.
超链接<角动量>:http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%A7%92%E5%8A%A8%E9%87%8F
如果下面的复制失败了,有兴趣的同好直接点击上面的网址查看吧.::31::
角动量在物理学中是与物体到原点的位移和动量相关的物理量，在经典力学中表示为到原点的位移和动量的叉积，通常写做http://upload.wikimedia.org/math/3/4/5/3456026564515c7f6fefbf9327c4e560.png。角动量是矢量。http://upload.wikimedia.org/math/9/5/d/95de2fe45c8ce9deef85438d31928c57.png
其中，http://upload.wikimedia.org/math/2/8/e/28ebd9df135b0bcfe8263a7a192aa2f7.png表示质点到原点的位移，http://upload.wikimedia.org/math/3/4/5/3456026564515c7f6fefbf9327c4e560.png表示角动量。http://upload.wikimedia.org/math/0/d/a/0dad9ef8dd232ad6f3ee4649e5eb1573.png表示动量。而http://upload.wikimedia.org/math/2/8/e/28ebd9df135b0bcfe8263a7a192aa2f7.png又可写为：http://upload.wikimedia.org/math/5/1/f/51f52b782c98bacee819d07a1c55211d.png
其中I表示杆状系统的转动惯量。
在不受非零合外力矩作用时，角动量是守恒的。需要注意的是，由于成立的条件不同，角动量是否守恒与动量是否守恒没有直接的联系。
角动量在量子力学中与角度是一对共轭物理量。
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[*]1 角动量量子化[*]1.1 量子化角动量和测不准原理[*]1.2 能量均分与角动量量子化[*]2 参见
[编辑] 角动量量子化
在量子力学里角动量是量子化的：系统的角动量不能任意地取某实数值而只能取以普朗克常数http://upload.wikimedia.org/math/9/d/f/9dfd055ef1683b053f1b5bf9ed6dbbb4.png为单位整数或半整数倍。粒子的运动轨道造成的角动量必须取http://upload.wikimedia.org/math/9/d/f/9dfd055ef1683b053f1b5bf9ed6dbbb4.png的整数倍。另外实验证明大部分亚原子粒子都拥有一种和运动无关的先天角动量叫自旋。自旋以http://upload.wikimedia.org/math/c/7/c/c7ceaef5bfa96a0f81ff0aab02966e5a.png的倍数出现。[编辑] 量子化角动量和测不准原理
角动量是位移与动量的矢量积。而量子力学里位移与同方向动量是非对易的因此各独立方向的角动量分别非对易：http://upload.wikimedia.org/math/4/0/f/40fefc17eb2573272a68c336d1f92cc3.png [*]εijk是列维-奇维塔符号。[*][A,B] = AB − BA是交换子。
根据海森堡不确定原理非对易的物理量不能同时测准。因此角动量矢量的各方向部可以各自但不能同时确定。虽然如此但是角动量矢量的长度是可和任意一部同时确定：http://upload.wikimedia.org/math/a/9/9/a993bc5be027b1e1fdc595125ad4d91e.png
因此算符L2和Lz（任选一方向为z）有共同的特征波函数。L2在球座标系表现为：http://upload.wikimedia.org/math/8/1/9/8199a4e6ded0c82d01ccbb4ae7916bdc.png
其中θ是位移与z轴夹角，φ是绕z轴旋转的角度。 它和Lz的共同特征函数http://upload.wikimedia.org/math/c/8/1/c81f5b4eb77cea224ff7841af318cbe3.pnghttp://upload.wikimedia.org/math/5/4/1/541352f8ce6f6e3a3d4b419e75b441f6.png
是球谐函数：http://upload.wikimedia.org/math/e/6/1/e61e99874f5d72e7c4919ea13ee5cf67.png
l是某非负整数。http://upload.wikimedia.org/math/f/7/c/f7c45604eca5f804bdea98ed1c713182.png是绝对值不大于l的整数。[编辑] 能量均分与角动量量子化
经典力学内角动量是可以取任意连续值会导至热力学上一些吊诡。角动量量化给这些问题完美的答案。这也是角动量量子化必要性的一种证据。 在热力学里平均能量和系统自由度有关。例如忽略内部结构的单原子分子组成的理想气体平均能量是http://upload.wikimedia.org/math/3/6/8/368615cbe0328c134266bc1ad87abaeb.png：三维空间运动的分子的每个独立运动方向分别给于平均能量http://upload.wikimedia.org/math/b/7/f/b7fb8e6e09b960d049f51e3381560882.png。这是能量均分定理。
假设除了三维的平移运动，气体的分子是由两种原子组成。而原子可以相互环绕运动。为了简化问题假设所有分子的原子对只能环绕z轴运动。它们旋转的动能量是：http://upload.wikimedia.org/math/4/1/4/414903f902331aece62b42854eb8360c.png
Lz是分子旋转的角动量，I是转动惯量和原子的距离平方成正比。从运用统计力学的配分函数http://upload.wikimedia.org/math/4/a/1/4a10e102a003092ddff61837fc2e218f.png
（http://upload.wikimedia.org/math/1/0/0/100d9ad9846000a50a99f00f609aab9f.png是温度T的倒数）可以得到经典旋转运动对平均能量的贡献：http://upload.wikimedia.org/math/f/b/3/fb31153081ac41404e6938971b5c26f5.png
也就是新的旋转自由度和每平移运动方向给与一样的能量。
但是，旋转的贡献并不决定于分子的转动惯量I也就是和原子的距离无关。但这和我们期待原子距离或分子转动惯量趋向0时回到无旋转的结果相矛盾。这就是经典力学引起的吊诡：能量均分定理允许透过宏观观察得到所有微观自由度的信息：尽管由很多基本粒子组成的原子一般拥有远高于宏观观察的自由度。 问题的解决来自角动量量子化。因为微观角动量不能取任意的连续值因此以上用积分计算配分函数是不正确的。配分函数应该是一个和：http://upload.wikimedia.org/math/4/c/c/4cc2e12dd50319094d278a3f00d960a4.png
在温度很高（http://upload.wikimedia.org/math/4/0/8/408e8661be2f1c6175b7b6201d7796c3.png）或分子转动惯量很大的情况下，每项间变化缓慢。用积分来进似近似以上和是可接受的。在这情况下选转的确和一般自由度一样。上段得到的结果是正确的。但在温度很低或分子转动惯量很小的情况下Z主要贡献来自 | n | 小的前几项：http://upload.wikimedia.org/math/1/e/a/1ea6271ef006681ed48520e1c1045123.png
因此对平均温度的贡献是：http://upload.wikimedia.org/math/8/3/9/8390224ac7e7dea4a2ce6144377028e3.png
而一个系统的量子旋转特征和经典旋转特征的交叉点出现在温度可以给与几个http://upload.wikimedia.org/math/9/d/f/9dfd055ef1683b053f1b5bf9ed6dbbb4.png角动量的能量：http://upload.wikimedia.org/math/c/1/3/c13b8d363a68456d7b1eb3f76b745ec2.png 首先要支持小野酱哦
多花些精力，相关的图片还是有的
另外，建议角动量只需Copy第一段，后面的量子化部分就不要复制过来了。 回复 2# gohomeman1
谢谢G版,下一次会努力做得再好一点.::31:: 嘿嘿，这个网上视频也有，我书上也看过这种知识::070821_09.jpg:: 看到一大堆公式的就晕菜了，不过图很漂亮啊。 ::070821_18.jpg::路过顶下,,,,,,,, 这些全都是小野酱纯人手打的,如果发现错字什么的(核对了一下好像没有..)欢迎你们跟我说说,我可以改过来.还有还有,这次的图图不是打酱油的~所以好好看吧~~~::17::
行星的产生:
星子是构成行星的砖块,其大小从1千米至100多千米不等.在这些天体环绕年轻太阳旋转的过程中,它们的演化有两种最重要的过程,即引力相互作用和物理碰撞.远距离相遇之际的相互引力拖行扰动了星子环绕太阳有序的圆轨道运动,导致它们在更扁长的轨道上运行.如果星子在完美的圆形轨道上运行,则永远不会碰撞.然而在椭圆轨道上运行的星子则会碰撞.轨道越扁长,碰撞就越剧烈.如果星子碰撞的相对速度很小,它们会结合起来.但是如果相对速度太大,结果是灾难性的,一个甚至两个天体都粉身碎骨.之后,又重复发生着这种或者长大或者粉碎的碰撞过程.
较大的天体有较强的引力场,因此能更有效地清扫起前进道路上的碎块.随着它们增大,它们抗拒碎裂的能力增强,并能经受住大的撞击.计算机模拟显示,当增大着的星子以更大的力猛击它们的同族弟兄时,便会发生一系列更剧烈的碰撞.碰撞促进增大,导致几百个大星子从几百万个小天体之中脱颖而出,终于达到约月亮般的大小.但是一个包含那么多引力相互作用天体的系统是不稳定的.在1000万~1亿年之内,星子之间的碰撞导致它们结合成为几个行星胎,大小约相当于地球.太阳系历史的起初几亿年是极其剧烈的时期.
水星、金星、地球和火星等内行星自然被认为经历了上面描述的过程,那么太阳系的巨行星又怎么获得它们巨大的质量呢?巨行星主要由氢和氦组成,并包含大量的冰.它们的成分更接近于太阳,而不同于只含少量氢和氦的太阳系内层的石态星子.当类地行星通过结合岩石物质增大的时候,巨行星一定从早期的太阳星云里收集额外的物质,不论是轻质气体还是固体颗粒.关于这一过程如果进行,在研究人员之间有两种旗鼓相当的观点.
大多数研究者赞同"标准模型",巨行星的核在星子的碰撞、增大过程中形成,正如内行星所为.但是一旦这些核增大到足够大,他们便开始吸积富含氢、氦和冰得周围气体.在太阳星云的内层,氢、氦之类的轻质气体太热,难以吸积到正在形成的石态行星胎上去.它们的引力作用不够强,所吸积的气体达不到有意义的数量.此外,在行星胎增大到足以吸积气体的过程里,气体已烟消云散.气体或者已被太阳吸积,或者因年轻太阳强烈的星风而从太阳星云内层被吹出.但是在较冷的太阳星云外层,轻质气体很丰富.此外,高丰度的冰增强了行星胎的成长率.它们的质量明显增大,足以吸积大量星云外层丰富的氢和氦.随着被吸积气体的质量超过石态核,行星引力场日益增大的强度导致称为失控吸积的过程.在巨行星轨道近旁的可利用气体都被扫清之前,行星的增大不会停止.在太阳系的外层,开普勒轨道运行速度较低,这意味着临近轨道之间的剪切作用也较低.这样,给定质量的行星胎会从比太阳星云内层更大的区域吸积更多的质量.
这个模型解释了巨行星的最重要性质:它们的成分.木星、土星和天王星或海王星与太阳相比,包含更多重元素,分别是5倍、15倍和300倍.只要可利用气体的数量随着离年轻太阳的距离增大而减少,那么紧随轻质气体的失控吸积之后形成的冰核或石核能够稳当地解释这一模型.
对于标准模型的批评者认为,通过碰撞来积聚物质以形成行星胎并在随后的失控吸积阶段成长为巨行星,这需要极长的时间,长到不足以聚集成行星胎.在许多与猎户星云类似的那种有大质量恒星存在的恒星形成环境里,远在行星胎能够增大至足以从周围环境中吸积气体之前,星周盘外部的气体会因各种过程在不足100万年的时间之内消散.
这张图图显示的是流体模拟行星形成后附近行星盘形成空隙，行星在盘作用下会发生迁移
于是就有另一种关于巨行星形成的模型应运而生.在这种所谓的"引力不稳定性"的模型里,巨行星在几千年内直接从盘形成.由于原行星盘很年轻而且质量很大,它的质量密度极高,以至于天文单位尺度的区域内的自引力超过了开普勒运动的剪切力.这样一个区域会响应自引力而收缩,形成质量大致为巨行星的受束缚天体.
这个模型的第一个困难是它不容易解释太阳系内巨行星观测到的成分.引力不稳定性是不偏不倚的.一切物质,不论何种成分,都会被吸引到正在形成的天体里.冰、岩石、氢、氦和盘里其他各种各样的组分都会被吸积.这样,作为最终产物的行星应反映盘的初始成分,它接近于通过凝聚而形成行星的星际云,并类似太阳的成分.于是,引力不稳定性模型不容易解释在木星、土星、天王星和海王星探测到的元素丰度.为了克服这一困难,理论的倡导者必须说明在盘经历引力不稳定的同时,它已经消耗了氢和氦,而且这种消耗在离原太阳的距离越远的地方越严重. (一种可能的消耗机制将在以后讨论...如果小野酱记得的话....)
第二个困难是,如果巨行星在盘的演化过程中形成太早,就会导致它们盘旋着落进原太阳.巨行星突然形成会导致在盘里激发漩涡波动,从而引起行星的轨道角动量流失,使其向内移行.如果巨行星到达盘内巨大的缝隙,这种径向移行可能会停止,人们认为这类缝隙就向中央空洞一般,存在于许多原恒星的周围.也许这是形成"热木星类行星"的一种方式.
无论是巨行星形成的何种场景里,一颗年轻的或尚在吸积中的巨行星比今天的木星要远大得多.模型显示,木星在其形成之初直径一定达到过接近1天文单位.收缩到今天的大小要求耗散热量和角动量,一颗年轻的巨行星大概要耗费1亿年才能达到其成年期的尺度.即使今天,木星还在辐射一些其内部能量.人们预期非常年轻的巨型性具有若干意义深远的性质.首先,由于它们向外辐射引力势能,它们发射大量红外辐射.其次,它巨大的体躯会使它们反射较大量的来自其母恒星的光线.有鉴于此,在恒星际距离上探测年轻巨行星可能比探测成熟行星容易得多.
小野酱说:下周末会继续更新:kiss: (三:无处不在的卫星和环).
DATE:8月21
另外推荐一下这本书书::17::
回复 4# 胡杨武
你有视频呀?地址给我发一下..谢谢:$ 看到公式就头疼啊。。。。。。。。。。::070821_12.jpg:: 回复 9# linkage
除了（一）最后带了个角动量，其他都没公式的呀{:3_214:}
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