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地球形成时是什么样子的老胡说科学 [复制链接]

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太阳系是由一团气体形成的,这团气体形成了一个原始恒星,一个原始行星盘,最终形成了后来的行星。太阳系历史上最伟大的成就是创造和形成了地球,这也许并不像我们普遍认为的那样是一种罕见的宇宙现象。大约45亿年前,我们的太阳系开始形成。在银河系的某个地方,一团巨大的气体云坍缩,产生了数以千计的新恒星和恒星系统,每一个都是独一无二的。有些恒星比我们的太阳质量大得多,不过大多数都要小得多。有些星系中有多颗恒星,但大约一半的星星都是孤独的。

实际上在它们周围,大量的物质聚集成一个圆盘。它们被称为原行星盘,原行星盘是围绕这些恒星形成的所有行星的起源。在过去的几十年里,随着望远镜技术的进步,人类已经开始直接拍摄这些圆盘及其细节。

20个新的原行星盘,由高角分辨率项目合作的盘状亚结构成像,展示了新形成的行星系统的样子。圆盘上的缝隙很可能是新形成行星的位置。理论上,行星的形成过程非常简单。当有一个大的天体,比如气体云,我们就可以期待以下步骤发生:

质量被吸引到一个中心区域。这个中心区域是一个或多个大团块生长的地方。当周围的气体坍塌时。首先是一维坍缩。然后圆盘上的缺陷增大。优先吸引物质并形成行星的种子。我们现在可以直接观察这些原行星盘,并找到证据,证明这些行星种子很早就存在了。

长蛇座TW星是一颗类似太阳和其他类太阳恒星的恒星。甚至从它的早期阶段,就像这里的图片所示,它就已经显示了在它的原行星盘中以不同半径形成新行星的证据。但是这些磁盘用不了多久。我们所看到的时间尺度通常只有数千万年的时间来形成行星,这不仅是因为引力,还因为我们至少有一颗中心恒星在发光。

形成行星的气体云是由多种元素组成的:氢,氦,以及所有较重的元素,这些元素在元素周期表中一直排在前面。当你靠近恒星时,最轻的元素很容易被吹走和蒸发。在短时间内,一个年轻的太阳系将发展出三个不同的区域:

一个只有金属和矿物才能凝结成行星的中心区域。一个中间区域,在那里,岩石和巨大的世界可以形成碳化合物。外部区域,在那里,挥发性分子,如水,氨和甲烷可以持续存在。

原行星盘的示意图,显示烟灰和霜纹。对于像太阳这样的恒星,据估计,霜冻线大约是地球到太阳最初距离的三倍,而烟灰线则要近得多。这些线条在太阳系过去的确切位置很难确定。内部两个区域之间的边界称为烟灰线,位于烟灰线的内部会破坏称为多环芳烃的复杂碳化合物。同样的,外部两个区域之间的边界被称为霜冻线,在它的内部,会抵触形成稳定的固体冰。这两条线都是由恒星的热量驱动的,并将随着时间向外迁移。

与此同时,这些原行星团块将会增长,吸积额外的物质,并有机会在引力上相互干扰。随着时间的推移,它们可以融合在一起,相互作用,相互排斥,甚至相互抛向太阳。当我们进行模拟,让行星生长和演变,就会发现一个非常混乱的历史,这段历史对于每个太阳系都是独一无二的。

当我们谈到太阳系时,展开的宇宙故事不仅壮观,而且在许多方面出乎意料。在内部区域,很可能在早期有一个相对较大的世界,它可能在我们的宇宙青年时期被太阳所吞噬。没有什么能阻止一个巨大的世界在太阳系内部形成,只有岩石世界靠近太阳这一事实告诉我们,在早期可能存在其他的东西。

最大的行星可能是由早期的种子形成的,可能有超过四颗这样的行星。为了得到气态巨行星的结构,在很久以前的某个时候,至少有第五颗巨行星被喷射出来。

在早期的太阳系中,有超过四颗行星的种子是非常合理的。模拟表明它们有能力向内和向外迁移,也有能力将这些物体弹射出去。到现在,只有四颗气态巨行星幸存。火星和木星之间的小行星带,很可能是最初冰霜带的遗迹。稳定的冰的边界应该会导致大量的冰和岩石的混合物,在过去的数十亿年里,大部分冰都升华了。

与此同时,在最后一个气态巨行星之外,太阳系早期遗留下来的星子依然存在。尽管它们可能会合并、碰撞、相互作用,偶尔还会被引力弹弓抛入太阳系内部,但它们在很大程度上仍位于海王星之外,是太阳系最年轻阶段的遗迹。在很多方面,这些都是宇宙诞生时的原始遗迹。

来自太阳系霜冻线以外部分的星子来到地球,构成了今天地球的地幔的大部分。在海王星之外,这些星子仍然作为柯伊伯带的天体存在至今,相对于从那时起的45亿年没有什么变化。但对我们来说,最有趣的地方是太阳系内部。可能曾经有一个巨大的内部行星被吞噬,或者可能气态巨行星曾经占据内部区域并向外迁移。不管怎样,某种东西推迟了太阳系内部行星的形成,使得确实形成的四个世界——水星、金星、地球和火星——比其他所有行星都要小得多。

不管剩下的是什么元素,通过行星密度测量,我们知道它们大多是重的,因此这些岩石世界就形成了。每一个地核都有一个由重金属构成的地核,外加一个密度较低的地幔,地幔是由后来从冰点线以外落到地核上的物质构成的。经过几百万年这样的进化和形成,这些行星的大小和轨道与今天的情况相似。

随着太阳系的演化,挥发性物质蒸发,行星吸积物质、星子融合在一起,轨道迁移到稳定的结构中。气态巨行星可能在引力上支配着我们太阳系的动力学,但据我们所知,在太阳系内部的岩石行星上,所有有趣的生物化学现象都在发生。但是有一个巨大的区别:在早期阶段,地球没有月球。事实上,火星也没有任何卫星。为了实现这一点,需要一些东西来创建它们。这将需要某种类型的巨大撞击,在这种撞击中,一个大质量的物体撞击了这些早期行星中的一个,激起碎片,最终形成一个或多个卫星。

对于地球来说,直到我们登上月球研究我们在月球表面发现的岩石时,这个想法才受到重视。令人惊讶的是,月球和地球有着同样稳定的同位素比率,而太阳系其他行星的同位素比率则有所不同。此外,地球的自转和月球围绕地球的轨道有相似的方向,月球有一个铁核,所有这些事实都指向地球和月球的共同起源。

“巨大撞击假说”认为,一个火星大小的天体与早期地球相撞,而那些碎片并没有落回地球,形成了月球。这就是所谓的“巨大影响假说”,虽然它是一个引人注目的叙述,但它可能只有事实的部分,而不是完整的过程。最初,这个理论被称为“巨大撞击假说”,其理论基础是原始地球和火星大小的忒亚星球之间的早期碰撞。拥有5颗卫星的冥王星系统,以及拥有2颗卫星(过去可能是3颗)的火星系统,都显示出类似的证据,表明很久以前巨大的撞击创造了它们。

但是现在,科学家们注意到最初为创造月球而提出的“巨大撞击假说”存在问题。一个来自遥远的太阳系的物体,可能是我们的月球形成的原因。与我们所说的巨大撞击不同,与原地球的高能碰撞可能会在我们的世界周围形成一个碎片盘,形成一种被称为synestia的新型结构。

synestia可能是什么样的:一个膨胀的环。月球有四大属性,任何成功的理论对于它的起源都作了解释:为什么只有一个大月亮,而不是多个卫星,为什么元素的同位素比值是地球和月球之间如此相似,为什么中等挥发性元素耗尽在月球,为什么月亮是倾向于对日地平面等等。

同位素比率对于巨大冲击假说来说尤其有趣。地球和月球之间类似的同位素性质表明,如果撞击物和地球都很大,那么它们必须在离太阳相同半径的地方形成。这是可能的,但是通过这种机制形成月球的模型没有给出正确的角动量性质。同样,与右角动量擦掠碰撞产生的同位素丰度与我们看到的不同。

synestia由来自原始地球和碰撞体的蒸发物质的混合物组成,碰撞体通过小卫星的合并在其内部形成一个大月亮。。如果有一个快速的,充满能量的碰撞发生在一个质量较小的物体和原始地球之间,在地球周围会形成一个巨大的环形结构,这种结构被称为synestia。

随着时间的推移,这些物质将混合在一起,在短时间内形成许多小卫星,这些小卫星可以粘附在一起并产生引力,形成我们今天看到的月球。与此同时,synestia中的大部分物质,尤其是内部部分,将会落回地球。

在早期的太阳系中,并不是一个巨大的火星大小的世界的单一撞击,而是一个质量小得多但仍具有高能量的碰撞产生了我们的月球。像这样的碰撞预计将会更加普遍,并且比传统的类似于黑洞的巨大撞击场景更能解释我们在月球上看到的一些性质。几乎可以肯定的是,在太阳系的早期,年轻的地球曾遭遇过一场高能碰撞,而这一碰撞也造就了我们的月球。但它很可能比火星小得多,而且几乎可以肯定,它是一次有力的撞击,而不是一次擦身而过的碰撞。形成的结构不是由岩石碎片组成的云,而是一种被称为synestia的新型扩展蒸发圆盘。随着时间的推移,它形成了我们今天所知道的地球和月球。

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