天体演化论文(大作业)

1、上海第二工业大学 天体演化(大作业) 天天体体演演化化 ( (大大作作业业 ) ) 题题 目：目：太阳系的演化太阳系的演化 学学 生：生： 专专 业：业： 年年 级：级： 指导教师：指导教师： 2012 年年 12 月月 10 日日 上海第二工业大学 天体演化(大作业) I 目目 录录 太阳系的演化太阳系的演化.I I 摘摘 要要.IIII 第一章第一章 引引 言言.5 5 1.1 太阳系的概述 .5 第二章第二章 历史历史.5 5 2.1 太阳系的历史 .5 第三章第三章 形成形成.1212 3.1 太阳系的形成 .12 3.2 前太阳星云 .14 3.3 行星的形成 .15 第四章第四章

2、后续的演化后续的演化.1010 4.1 类地行星 .10 4.2 小行星带 .12 4.2 行星迁移 .12 4.2 后期轰炸和其后 .12 第五章第五章 卫星卫星.1 14 4 5.1 太阳系中的卫星 .14 第六章第六章 太阳系的未来太阳系的未来.1313 6.2 卫.环系统 .13 6.2 太阳和行星环境 .13 第七章第七章 星系和相互作用星系和相互作用.1313 7.1 星系碰撞和行星干扰 .17 第八章第八章 太阳系的年代太阳系的年代.1717 上海第二工业大学 天体演化(大作业) II 8.1 年代 .43 致致 谢谢.4545 参考文献：参考文献：.4141 太阳系的演化太阳系

3、的演化 王晓锋 （104833043） 上海第二工业大学 计算机与信息学院 摘要摘要： 太阳系 （Solar System）就是我们现在所在的恒星系统。它是以太阳为中 心，和所有受到太阳引力约束的天体的集合体：8 颗行星冥王星已被开除、至 少 165 颗已知的卫星，和数以亿计的太阳系小天体。这些小天体包括小行星、 柯伊伯带的天体、彗星和星际尘埃。广义上，太阳系的领域包括太阳、4 颗像 地球的内行星、由许多小岩石组成的小行星带、4 颗充满气体的巨大外行星、 充满冰冻小岩石、被称为柯伊伯带的第二个小天体区。在柯伊伯带之外还有黄 道离散盘面、太阳圈和依然属于假设的奥尔特云。 关键词关键词: : 太阳

4、系；太阳系； 演化；演化； 八大行星；八大行星； 太阳；太阳；solar system 上海第二工业大学 天体演化(大作业) 1 第一章第一章 引引 言言 1 1 太阳系的概述太阳系的概述 太阳系的形成和演化始于 46 亿年前一片巨大分子云中一小块的引力坍缩。 大多坍缩的质量集中在中心，形成了太阳，其余部分摊平并形成了一个原行星 盘，继而形成了行星、卫星、陨星和其他小型的太阳系天体系统。 这被称为星云假说的广泛接受模型，最早是由 18 实际的伊曼纽.斯威登堡、 伊曼努尔.康德和皮埃尔-西蒙.拉普拉斯提出。其随后的发展与天文学、物理学、 地质学和行星学等多种科学领域相互交织。自 1950 年代太

5、空时代降临，以及 1990 年代太阳系外行星的发现，此模型在解释新发现的过程中受到挑战又被进 一步完善化。 从形成开始至今，太阳系经历了相当大的变化。有很多卫星环绕其母星气 体与尘埃组成的行盘中形成，其他的卫星据信息俘获而来，或者来自于巨大的 碰撞（月球就是如此） 。天体间的碰撞至今都在持续发生，并为太阳系演化的中 心。行星的位置经常迁移，某些行星间已经彼此易位。【1】这种行星迁移现在 被认为对太阳系早期演化起负担起绝大部分的作用。 就如同太阳和行星的出生一样，他们最终将灭亡。大约 50 亿年后，太阳会 冷却并向外膨胀超过现在的直径很多陪（成为一颗红巨星） ，抛去他的外层成为 行星状星云，并留

6、下被称为白矮星的恒星遗骸。在遥远的未来，太阳的环绕行 星会逐渐被经过的恒星的引力卷走。他们中的一些会被毁掉，另一些则会被抛 向星际空间的太空。最终，数万亿年之后，太阳终将会独自一个，不再有其他 天体在太阳系轨道上。 上海第二工业大学 天体演化(大作业) 2 一颗原形星盘的艺术想象图一颗原形星盘的艺术想象图 第二章第二章 历历 史史 2 2 太阳系的历史太阳系的历史 有关世界起源和命运的思想可以追溯到已知最早的文字记载；然而，在大部分时代里 没有人试图把这样的理论与“太阳系”的存在联系起来，原因很简单，因为当时人一般不 相信我们现在了解的太阳系是存在的。迈向太阳系演化形成理论的第一步是对日心说的

7、广 泛认同。该模型把太阳放在系统的中心，把地球放在环绕其的轨道上。这一理论孕育的数 千年，但知道 17 世纪末才广泛被接受。第一次有记载的“太阳系”术语的使用实在 1704 年。 【2】 现今太阳系形成的标准理论：星云假说，从其在 18 世纪呗提出之日起就屡经采纳和摒 弃。对该假说重大的批评是它很明显无法解释太阳相对其行星而言缺少角动量。 【3】然而， 自从 1980 年代早期对新恒星的研究显示，正如星云假想预测的那样，它们呗冷的气体和灰 尘的盘环绕着，才导致这一假想的从心被接受。 当太阳内部核聚变反应结束时，其会慢慢冷却成为一颗红巨星，当红巨星最终抛掉它 的外层时，这些元素将被回收以形成其他

8、恒星。 第三章第三章 形形 成成 3 3 太阳系的形成太阳系的形成 3.13.1 前太阳星云前太阳星云 星云假说主张太阳系从一巨大的有见光年跨度的分子云的碎片引力塌陷的过程中形成。 几十年前，传统观点还是认为太阳实在相当孤立中形成的，但对古陨石的烟酒发现短暂的 同位素的踪迹，该元素只能在爆炸及寿命较短的恒星中形成。因为只有大质量、短寿的恒 星才回产生超新星爆发，太阳一定是在一个产生了大质量恒星的一个大恒星诞生区域里 上海第二工业大学 天体演化(大作业) 2 （可能类似于猎户座星云）形成。 这些被称为“前太阳星云”的塌陷气体区域中的一部分将形成太阳系。这一区域直径 7000 到 20000 天文

9、单位（AU）其质量刚好超过太阳。它的组成跟今天的太阳差不多。由 太初核合成产生的元素氢、氦和少量的锂组成了塌陷星云质量的 98%。剩下的 2%质量由 在前代恒星何种产生的金属重元素组成。在这些恒星的晚年他们把这些重元素抛射成为星 际物质。 因为角动量守恒，星云塌陷时转动加快。随着星云浓缩，其中的原子相互碰撞频率增 高。把他们的动能转化为热能。其质量集中的衷心越来越比周边环绕的盘热。大约经过 100000 年，在引力、气体压力、磁场力和转动惯量的相互竞争下，收缩的星云扁平化成了 一个直径约 200AU 的原形星盘，并在中心形成了一个热致密的原恒星（内部氢聚变尚未开 始的恒心） 。 太阳发展到了这

10、一演化点时，已被认为是一颗金牛 T 星类型的恒星。对金牛 T 星的烟 酒表明它们常伴以太阳质量的前行星物质组成的盘。这些盘伸展达几 百 AU哈勃望远镜已经观察过在恒星形成区（如猎户座星云）直径达 1000AU 的原星 盘并且相当冷，最热只能达到一千开尔文。 在五千万年内，太阳核心的温度和压力变得如此巨大，它的氢开始聚变，产生内部能 源抗拒引力收缩的力直到达至静力平衡。这意味着太阳成了主序星，这是它生命中的一个 主要阶段。主序星从他们核心的氢聚变的过程中产生能量。太阳至今还是一颗主序星。 艺术家想象中的太阳星云艺术家想象中的太阳星云 3.23.2 行星的形成行星的形成 太阳系里诸多行星均被认为成

11、形于“太阳星云” ，而太阳星云是太阳行程中剩下的气体 和尘埃形成的圆盘状云。目前被接受的行星形成假说称为吸积，在这里行星从绕原恒星的 轨道上的尘埃颗粒开始形成。通过直接收缩，这些颗粒形成一到十公里直径的块状物，然 后他们互相碰撞形成更大的尺寸约五公里的天体(微行星)。透过进一步相撞逐渐加大他们 的尺寸，在接下来的几百万年中大约每年增加几厘米。 内太阳系（距中心直径 4 天文单位以内的区域）过于温暖以至于易挥发的如水和甲烷 分子难以聚集，所以那里形成的微行星只能由高熔点的物质形成，如铁、镍、铝和石状硅 酸盐。这些石质天体会成为类地行星（水星、金星和火星） 。这些物质在宇宙中很稀少，大 约只占星云

12、质量的 0.6%，所以类地行星不会长得太大。类地行星胚胎在太阳形成 100,000 上海第二工业大学 天体演化(大作业) 2 年后长到 0.05 地球质量，然后就停止聚集质量；随后的这些行星大小的天体间的相互撞击 与合并使它们这些类地行星长到它们今天的大小。 类木行星（木星、土星、天王星和海王星）形成于更远的冻结线之外，在介于火星和木星 轨道之间的物质冷到足以使易挥发的冰状化合物保持固态。类木行星上的冰比类地行星上 的金属和硅酸盐更丰富，使得类木行星的质量长得足够大到可以俘获氢和氦这些最轻和最 丰富的元素。冻结线以外的微行星在 3 百万年间聚集了 4 倍地球的质量。今天，这四个类 木行星在所有

13、环绕太阳的天体质量中所占的比例可达 99%。理论学者认为木星处于刚好在 冻结线之外的地方并不是偶然的。因为冻结线聚集了大量由向内降落的冰状物质蒸发而来 的水，其形成了一个低压区，加速了轨道上环绕的尘埃颗粒的速度阻止了它们向太阳落去 的运动。在效果上，冻结线起到了一个壁垒的作用，导致物质在距离太阳约 5 天文单位处 迅速聚集。这些过多的物质聚集成一个大约有 10 个地球质量的胚胎，然后开始通过吞噬周 围星盘的氢而迅速增长，只用了 1000 年就达到 150 倍地球质量并最终达到 318 倍地球质量。 土星质量显著地小可能是因为它比木星晚了几百万年形成，当时所能使用的气体少了。 像年轻的太阳这样的

14、金牛 T 星拥有远比老恒星更稳定、更强烈的星风。天王星和海王星据 信是在木星和土星之后，在太阳风把星盘物质大部分吹走之后形成。结果导致这两个行星 上聚集的氢和氦很少，各自不超过一倍地球质量。天王星和海王星有时被引述为失败的核。 对这些行星来说形成理论的主要问题是它们的形成时间。在它们目前的位置，它们的核需 要数亿年的时间聚集。这意味着天王星和海王星可能是在更靠近太阳的地方形成的位 于接近甚至介于木星和土星之间后来才向外迁移。在微行星的时代，行星运动并不全 是向内朝向太阳；从维尔特二号上取回的星尘样本表明太阳系早期形成的物质从温暖的太 阳系内部向柯伊伯带区域迁移。过了三百万到一千万年，年轻太阳的

15、太阳风会清净原星盘 内所有的气体尘埃，他把他们吹向星际空间，从而结束行星的生长。 哈勃望远镜拍摄的猎户座星云，一个宽约哈勃望远镜拍摄的猎户座星云，一个宽约 2020 光年的恒星摇篮，可能近似于太阳形成之前的前太阳星云光年的恒星摇篮，可能近似于太阳形成之前的前太阳星云 第四章第四章 后续的演化后续的演化 上海第二工业大学 天体演化(大作业) 2 4.14.1 类地行星类地行星 行星形成时代结束后内太阳系有 50100 个月球到火星大小的行星胚胎。 进一步的生长可能只是由于这些天体的相互碰撞和合并，这一过程持续了大约 1 亿年。这些天体互相产生引力作用，互相拖动对方的轨道直到它们相撞，长 得更大，

16、直到最后我们今天所知的 4 个类地行星初具雏形。其中的一个这样的 巨大碰撞据信导致了月球的形成, 另外一次剥去了早期水星的外壳。 此模型未解决的问题是它不能解释这些原类地行星的初始轨道得要相 当的偏心圆形才能相撞是如何形成今天这样相当稳定且接近圆形的轨道的。 此“偏圆去除”的假说之一认为在气体盘中形成的类地行星尚未被太阳驱离。 这些残余气体的“引力拖拉”终将降低行星的能量，平滑化它们的轨道。不过， 如果存在这样的气体，一开始它就会防止类地行星的轨道变得如此偏圆。另一 个假说认为引力拖拉不是发生在行星和气体之间，而是发生在行星和余留的小 天体之间。当大的天体行经小天体群时，小天体受到大天体的引力

17、吸引，在大 天体的路径形成了一个高密度区，一个“引力唤醒”，由此降低了大天体使其 进入一个更正规的轨道。 4.24.2 小行星带小行星带 小行星带位于类地行星区外围边缘，离太阳 2 到 4 个 AU。小行星带开始 有多于足以形成超过 2 到 3 个地球一样的行星的物质，并且实际上，有很多微 行星在那里形成。如同类地行星，这一区域的微行星后来合并形成 20 到 30 个 月亮到火星大小的行星胚胎； 但是因为在木星附近，意味着太阳形成 3 百万年 后这一区域的历史发生了巨大变化。木星和土星的轨道共振对小行星带特别强 烈，并且与更多的大质量的行星胚胎的的引力交互作用使更多的微行星散布到 这些共振中，

18、造成它们在与其他天体碰撞后被撕碎，而不是凝结聚合下去。随 着木星在形成后的向内迁移，共振将横扫整个小行星带，动态地激发这一区域 的天体数量，并加大它们之间的相对速度。共振和行星胚胎的累加作用要么使 微行星脱离小行星带，要么激发它们的轨道倾角和偏心率变化。某些大质量的 行星胚胎也被木星抛出，而其它的可能迁移到了内太阳系里，并在类地行星的 最终聚集中发挥了作用。在这个初始消竭时期，大行星和行星胚胎的作用下在 小行星带剩下的主要由微行星组成的总质量不到地球的 1%。这仍是目前在主带 的质量的 10 到 20 倍，约 1/2000 地球质量。第二消竭阶段据信是当木星和土星 进入临时 2:1 轨道共振时

19、发生，使小行星带的质量下降接近至目前规模。 内太阳系的巨大撞击期可能对地球从小行星带获取其目前的水成分（ 上海第二工业大学 天体演化(大作业) 2 61021 公斤）起到了一定的作用。水太易挥发，不会在地球的形成时期就存 在，一定是其后从太阳系外部较冷的地方送来的。水可能是由被木星甩离小行 星带的行星胚胎和小的微行星带过来的。2006 年发现的一些主带彗星也被认为 可能是地球的水的来源之一。在相比之下，从柯伊伯带或更远的区域的彗星带 来的不过约 6%地球的水。胚种论假说认为，生命本身可能是通过这种方式播撒 到地球上，虽然这种想法不被广泛接受。 4.34.3 行星迁移行星迁移 根据星云假说，外层

20、的两个行星处于“错误位置” 关于天王星 和海王星 错误位置可参见 Nice 模型 , 至于木星 土星 小行星可看木星大航向模型 （Grand Tack） 。天王星和海王星所处的区域的太阳星云的低密度和它们的更 长的轨道周期时间使它们的形成看似非常不合理。这两个行星被认为形成于有 更多物质的木星和土星的轨道附近，但后来历经几亿年迁移到了它们今天所处 的位置。 外层行星的迁移对于解释太阳系最外围区域的存在和特性也是必要的。 海王星之外，太阳系延伸到柯伊伯带、黄道离散天体和奥尔特云，这三个 稀疏的小冰状天体群落被认为是绝大多数被观测到的彗星的起源地。以它们离 太阳的距离，在太阳星云散离前聚集的速度太

21、慢以至于不足以形成行星，所以 最开始的星盘缺乏足够的物质密度来形成行星。柯伊伯带处于距离太阳 30 到 55AU 的地方，更远的黄道离散天体延展到 100AU，而遥远的奥尔特云起始于 大约 50,000AU 的地方。但起初，柯伊伯带离太阳近得多也致密得多，外围边 缘离太阳大约 30AU。它的内部边缘刚好在天王星和海王星的轨道外，天王星 和海王星的轨道在形成的时候离太阳要近得多（可能 15-20AU） ，并且位置相反， 天王星离太阳要比海王星更远。 太阳系形成之后，巨大行星的轨道持续缓慢变化，主要是受到它们与剩下 的大量的微行星之间的相互作用的影响。过了 5 亿到 6 亿年（大约 40 亿年前）

22、 木星和土星进入 2：1 共振；土星每当木星环绕太阳两周才环绕太阳一周。这一 共振对外围行星造成了引力推力，从而让海王星越过天王星的轨道， “耕”入古 柯伊伯带。这些行星群把大部分小冰状天体向内部散播，同时它们自己却向外 移动。这些微行星继而以类似的方式驱散它们遇到的下一颗行星，把行星的轨 道向外移动，它们自己向内移动。这一过程持续到微行星与木星相互作用，木 星的强大引力使它们轨道变得高度椭圆，甚至把它们径直抛出太阳系。这使得 木星略微向内移动。这些被木星驱散进入高度椭圆轨道的天体形成了奥尔特云； 那些被迁移中的海王星驱散程度较轻的天体形成了现在的柯伊伯带和黄道离散 天体。此情形可解释现今柯伊

23、伯带和黄道离散天体的低密度。这些被驱散的天 上海第二工业大学 天体演化(大作业) 2 体，包括冥王星，开始被海王星引力束缚，被拉入轨道共振。最终，在微行星 盘里的摩擦力使得天王星和海王星的轨道又变圆了。 与外围行星比，内部行星在太阳系的历史中并未发生显著的迁移，因为它 们的轨道在大撞击期保持了稳定。 模拟显示外层行星和柯伊伯带：模拟显示外层行星和柯伊伯带： a)a)在木星在木星/ /土星土星 2 2：1 1 共振前共振前 b)b)海王星跪倒变动后柯伊伯带天体散布到内太阳系海王星跪倒变动后柯伊伯带天体散布到内太阳系 c)c)木星抛射柯伊伯带天体之后木星抛射柯伊伯带天体之后 4.44.4 后期轰炸

24、和其后后期轰炸和其后 外围行星的迁移带来的引力干扰会把大量小行星送到内太阳系，严重地耗 竭原地带，直到它降到今天的特别低的质量水平。该事件可能触发了大约 40 亿 年前、太阳系形成 5 到 6 亿年后的后期重轰炸。这一时期的重轰炸持续了几亿 年，太阳系内的地质残体如水星和月球上明显存在的陨坑就是证明。地球生命 最早的证据可以早到 38 亿年前，几乎是紧接着后期重创的结束。 天文学家们相信陨石撞击是太阳系演化的常规部分（如果说现在不是很频繁 的话） 。陨石撞击持续发生的证明有 1994 年的苏梅克-列维 9 号彗星撞击木星以 及亚利桑那陨石坑。因此，行星聚合的过程还没有结束，还可能会对地球上的

25、生命造成威胁。 外太阳系的演化可能曾受附近超新星和途经的星际云影响。太阳系外围天 体的表面可能经历过由太阳风、微陨星和星际物质的中性成分带来的太空风化。 上海第二工业大学 天体演化(大作业) 2 后期重轰炸后，小行星带的演化主要依靠碰撞进行。大质量的天体有足够 的引力留住任何强烈撞击溅出的物质，但小行星带却通常不是这样。其结果就 是，许多较大的天体在碰撞中会分裂，而不太激烈的碰撞产生的残余物有时又 会合并形成新的天体。有些小行星现在周围的卫星的形成，只能以物质从母天 体飞出但没有足够能量完全逃脱它的引力因而聚集而成来解释。 亚利桑那州的陨石坑亚利桑那州的陨石坑 第五章第五章 卫卫 星星 5.1

26、5.1 太阳系中的卫星太阳系中的卫星 卫星存在于多数行星和其他太阳系天体周围。这些天然卫星有三个可能的 来源机制： 从绕行星的星盘（只在大型气体行星的情况下）同时生成； 从撞击的残骸形成（如果有浅角度下足够大的撞击） ，和捕获经过的天体。 木星和土星有几个大型卫星，如木卫一、木卫二、木卫三和土卫六，它们 来源于环绕这两个行星的星盘，形成的方式大概与这两个行星从环绕太阳的星 盘中形成的方式相同。这些卫星的巨大尺寸和它们位于行星的切近揭示了它们 的来源，俘获方式是不可能具有这些特性的，而其气态特性又意味着它们不可 能从撞击残骸中形成。大型气体行星的外围卫星一般偏小偏心且有任意倾角的 轨道，这些都是

27、俘获天体预期会有的特性。大部分这样的卫星沿其主星自转的 相反方向绕行。最大的不规则卫星是海王星的卫星海卫一，它被认为是俘获来 的柯伊伯带天体。 太阳系固态天体的卫星来自碰撞和俘获。火星的两个小卫星火卫二和火卫 一被认为是俘获来的小行星。地球的月亮被认为是形成于一次单独的巨大的斜 撞。进行撞击的天体估计可能有接近火星一样的质量，碰撞大约发生在大撞击 结束的时期。碰撞把撞击天体的一些幔层撞到了轨道上，聚成了月球。该次撞 击可能是形成地球的一系列合并的最后一次。过去曾进一步地推测约火星大小 的天体曾形成于地球-太阳拉格朗日点中稳定的一处（L4 或 L5） ，而后漂离了它 上海第二工业大学 天体演化(

28、大作业) 2 所处的位置。冥王星的卫星卡戎可能也是通过大撞击形成的；冥王星-卡戎和地 -月系统是太阳系里仅有“卫星至少占较大天体质量的 1%”中的两例。 第六章第六章 太阳系的未来太阳系的未来 6.16.1 长期的稳定性长期的稳定性 随着行星轨道长期不确定因子，太阳系是混沌的。这种混沌的一个显著的 例子就是海王星-冥王星系统，它们处于 3:2 的轨道共振。尽管轨道共振是稳定 的，预测冥王星未来 1 到 2 千万年（李亚普诺夫时间）的位置却无法取得任何 的精确度。另一个例子是地球的转轴倾角，受地幔与月球潮汐作用而来的摩擦 力影响，在今后的 15 到 45 亿年间将表现为混沌状态。 行星的轨道在经

29、过较长的时间度后将处于混沌状态，例如整个太阳系的李 亚普诺夫时间范围为 2 百万-2.3 亿年。 在所有的情形下，这意味着一个行星在它轨道上的位置终将变得无法以任 何确定性预测（因此，比如说，冬夏的时间变得不确定） ，但有些情形下轨道本 身可能会剧烈变动。这样的混沌在轨道的偏心率改变中表现得最明显，有些行 星的轨道变得显著地更加或更加不椭圆。 最终，太阳系会在接下的几十亿年后稳定下来，行星不会再互相碰撞，也 不会被抛出太阳系。这之后，大概 50 亿年左右，火星的偏心率会达到 0.2，以 至于它会处在一个跟地球交会的轨道上，会导致潜在的碰撞。在同样的时间区 段里，水星的偏心率会更加加大，与金星的

30、近距遭遇在理论上可能会把它完全 抛出太阳系或把它送上与金星或地球相撞的道路。 6.26.2 卫卫. .环系统环系统 卫星演化是由潮汐力所驱动的。由于沿着主体行星直径的引力差异，绕行 的卫星会在其上面引起潮汐突起。如果卫星是沿着行星的自转相同方向绕行的， 且行星自转快于卫星的绕行周期，突起将经常性地被牵拉而领先于卫星。在这 种情况下，角动量被从主体行星的自转传送到卫星的公转，卫星获得能量，逐 渐螺旋状外移，主体行星随着时间推移自转会更慢。 地球和月亮就是这种情况的一个例子。今天，月球潮汐锁定于地球；它的 绕地球公转等于它绕自己轴线的自转，意味着它始终以同一面面向地球。月球 将持续远离地球，地球的

31、转动将持续缓慢下来。大约 500 亿年，如果这两个世 界都能在太阳的扩张中存活下来，它们将彼此潮汐锁定；每一方将只能在一个 半球内看到对方。另一个例子是木星的伽利略卫星（和木星的很多小卫星）和 土星的许多较大卫星。 上海第二工业大学 天体演化(大作业) 2 如果卫星公转比主体行星自转快或者它的公转方向异于其主体行星的自转 方向，不同的情况会发生。在这两种情况下，潮汐突起落后于轨道上的卫星。 在前一种情况下，角动量的传送逆转，主体行星的自转加快，卫星的轨道缩小。 后一种情况，自转和公转的角动量的符号相反，所以传送导致削减彼此的强度。 在这两种情况下，潮汐减速导致卫星螺旋切近主体行星直至其被潮汐压

32、力撕裂 并可能生成行星环系统，或者坠毁到行星的表面或者其大气层中。这样的命运 在等着火星的卫星火卫一（在 3000 到 5000 万年间） ，海王星的海卫一（在 36 亿年间） 、海卫三、海卫四，木星的木卫十五和木卫十六，和天王星至少 16 个 小卫星。天王星的天卫十甚至可能会与它相邻的卫星相撞。海王星的海卫四也 可能会进入邻近的海卫五的轨道。 第三种可能是主体行星和卫星彼此潮汐锁定。这种情况下，潮汐突起将停 留在卫星之下，没有角动量的传递，轨道周期不会变。冥王星和卡戎就是这种 情形的一个例子。 在 2004 年卡西尼-惠更斯号太空飞行器到临之前，土星环曾被认为比太阳 系年轻很多，并且不会再存

33、在 3 亿年。与土卫的引力作用预计将逐渐把环的外 周扫向行星，流星的摩擦和土星的引力会清除其余的成分，留下没有环饰的土 星本体。但是“卡西尼”之旅的数据使科学家们修正了这个早期的观点。观察 显示 10 公里宽的冰块状物质持续破碎和重新生成，保持环的更新。土星的环要 比其它巨大气体行星的环大得多。这样庞大的质量据信从 45 亿年前土星的形成 之初就保持了它的环，并将在今后的几十亿年内继续保持。 海王星和它的卫星海卫一海王星和它的卫星海卫一 6.36.3 太阳和行星环境太阳和行星环境 长远来说，太阳系最大的改变将来自于太阳自身因衰老而带来的改变。随 着太阳烧掉它的氢供给，它会变得更热且更快地烧掉余

34、下的燃料。其结果就是， 太阳每 11 亿年就会更亮 10%。在 10 亿年的时间，随着太阳的辐射输出增强， 它的适居带就会外移，地球的表面会热到液态的水无法在地球表面继续存在。 此时地面上所有的生命都将绝迹。从海平面而来的水蒸气，一种强温室气体， 可以加速温度升高，可以潜在地更早地结束地球上的所有生命。这时候可能火 上海第二工业大学 天体演化(大作业) 2 星的表面温度逐渐升高，现在冻结在表面土壤下的水和二氧化碳会被释放到大 气里，产生温室效应暖化这颗行星直到它达到今天地球一样的条件，提供一个 未来的生命的居住场所。35 亿年后，地球的表面环境就会变得跟今天的金星类 似。 约 54 亿年之后，

35、太阳核心的所有的氢都会聚变成氦。核心将不再支撑得住 引力塌陷，将会开始收缩，加热核周围的一个外壳直到里面的氢开始聚变。这 将使其外层急剧扩张，这颗恒星将进入它生命中的红巨星阶段。在 75 亿年内， 太阳会膨胀到半径为 1.2AU256 倍于它现在的大小。在其红巨星分支的顶峰， 因为巨量增大的表面积，太阳的表面会比现在冷却很多（大约 2600K） ， 它的 光度会增高很多，会达到现在太阳光度的 2700 倍。在太阳成为红巨星的阶段， 它会产生很强的星风，这将带走它自身 33%的质量。在这个时候，土星的卫星 泰坦，有可能达到可维持生命的表面温度。 当太阳膨胀后，水星和金星差不多一定会被吞噬掉。地球

36、的命运还不是很清 楚。尽管太阳会吞噬地球的现在的轨道，这颗恒星的质量损失（既而更弱的引 力）会导致行星的轨道向外移动。如果仅仅如此，地球可能会逃离火海，但 2008 年的研究认为地球还是会因为与太阳附着不紧密的外层潮汐作用而被吞噬 掉。 渐渐地，太阳核心周围壳里燃烧的氢将增大核的质量直到达到现今太阳质量 的 45%。此时密度和温度如此高以至于氦开始聚变成碳，导致氦闪；太阳的半 径将从约 250 倍缩至 11 倍于现在（主序星）的半径。因此，它的光度会从 3000 倍跌至 54 倍于今天的水平，而其的表面温度则会升至约 4770K。太阳将成 为一颗水平分支星，平稳地燃烧它内核的氦，大概就像它今天

37、烧氢一样。氦聚 变阶段将只持续 1 亿年。最终，它还是得求诸它外层的氢和氦贮备，并且第二 次膨胀，变成渐近巨星分支星。太阳的光度会再次升高，达到今天光度的 2090 倍，并且它会冷却到大约 3500K。这一阶段将持续 3 千万年，之后，再过 10 万 年的过程中，太阳的残留外层将失去，抛射出巨大的物质洪流形成一个光晕 （误导性地）叫行星状星云。抛射出来的物质将包含太阳的核反应生成的氦和 碳，继续为未来世代的恒星而富华星际物质以重元素。这是个相对平和的结局， 跟超新星绝无相似，我们的太阳太小以至于不能进行这样的演化。若有可能任 何现场目睹此事的观察者都会看到太阳风的风速巨幅增加，但不足以完全摧毁

38、 一颗行星。但是，这颗行星的物质丢失可将幸存下来的行星轨道送入混乱：有 一部份会相撞，有一部分会从太阳系抛出去，剩下的则会被潮汐作用撕裂。之 后，太阳所剩的就是一颗白矮星，一个非常致密的天体，有它最初质量的 54%，但只有地球大小。最初，这颗白矮星的光度大约有现在太阳光度的 100 倍。 它将完全由简并态的碳和氧组成, 但将永远也不会达到可以聚变这些元素的温 度。因此白矮星太阳将逐渐冷却，越来越黯淡。 上海第二工业大学 天体演化(大作业) 2 一个近似太阳将形成的行星状星云一个近似太阳将形成的行星状星云 随着太阳的死亡，它作用于如行星、彗星和小行星这些天体的引力会随着 它的质量丢失而减弱。如果

39、地球和火星在这时候还生存，它的轨道会大约位于 1.85 和 2.8AU。它们和其它剩余的行星将成为昏暗、寒冷的外壳，完全没有任 何形式的生命。它们将继续围绕他们的恒星，其速度因为距离太阳的距离增大 和太阳引力的降低而减慢。二十亿年后，当太阳冷却到 6000 到 8000K 的范围， 太阳核心的碳和氧将冷却，它所剩的 90%的质量将形成结晶结构。最终，再过 数十亿年，太阳将完全停止闪耀，成为黑矮星。 太阳进入红巨星的时候将比现在的体积大很多陪太阳进入红巨星的时候将比现在的体积大很多陪 第七章第七章 星系相互作用星系相互作用 7.17.1 星系碰撞和行星干扰星系碰撞和行星干扰 尽管宇宙中绝大多数星系在远离银河系，我们本星系群中最大的星系仙女 座星系却在以每秒 120 公里的速度撞向银河系。在 20 亿年后，仙女座星系和银 上海第二工业大学 计算机与信息学院本科毕业设计(论文) 44 河系将相撞，潮汐力扭曲它们的外周臂成巨大的潮汐尾而导致二者都产生变形。 当这样的初始阶段的干扰发生的时候，天文学家计算出太阳系有 12%的机会被 从银河系拉向外围，有 3%的机会它会被仙女座星系引力俘获成为它的一部分。 经过进一步的一系列的侧击，太阳系被抛出的机会达到 30%，两个星系的超重 黑洞将合并。最终，大约在