《天文基礎(chǔ)知識(shí)》第一章：太陽系與系內(nèi)行星

第二節(jié) 了解太陽

三、太陽系結(jié)構(gòu)

在宇宙中，由兩顆或兩顆以上星體所形成的繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合體叫做星系，通常情況是眾多質(zhì)量小的星體繞質(zhì)量大的中心星體轉(zhuǎn)動(dòng)，這種星系叫做中心式星系，太陽系就屬于中心式星系。太陽作為太陽系中心，質(zhì)量占整個(gè)太陽系的99.85%，在質(zhì)量上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，太陽系中眾多行星和彗星等其他天體繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)，和太陽一起構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的中心式星系。

人類對(duì)太陽系結(jié)構(gòu)的探索，是對(duì)宇宙探索的開端，也是最重要的一部分，更是人因獨(dú)有的智力而區(qū)分于其他動(dòng)物的標(biāo)志。早在古代，人們把相對(duì)天球固定不動(dòng)的星體稱作恒星，把隨著時(shí)間位置在天球上不斷變化的星體（如金星），被稱作為行星。中國古書中記載著關(guān)于地球運(yùn)動(dòng)的樸素唯物論和辯證法的觀點(diǎn)，將地球和宇宙中其它星體的位置描述為“九層天”的形態(tài)。在公園前四世紀(jì)，古希臘學(xué)者亞里士多德認(rèn)為地球是圓的，而且位于宇宙的中心不動(dòng)（地心說）。波蘭天文學(xué)家哥白尼總結(jié)前人的材料，推測(cè)出太陽才是宇宙的中心（日心說）。十七世紀(jì)初，科學(xué)家伽利略利用小型望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了木星的衛(wèi)星。在近代，前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星，將人類的科學(xué)產(chǎn)物帶到了太空當(dāng)中，跨出了人類通往太空的第一步。人類對(duì)太陽系結(jié)構(gòu)的探索開始于很久很久之前，且從未停止過。

太陽系是由太陽、八大行星及其衛(wèi)星、小行星、彗星、流星體和行星際物質(zhì)構(gòu)成的天體系統(tǒng)。太陽是太陽系的中心天體，占總質(zhì)量的99.86%，靠熱核反應(yīng)發(fā)光發(fā)熱，向整個(gè)太陽系供能；八大行星在太陽的引力作用下繞其公轉(zhuǎn)。記得我小時(shí)候，大人都說太陽系中有“九大行星”，其實(shí)那個(gè)時(shí)候確實(shí)是九大行星，按與太陽的距離由近到遠(yuǎn)排列依次為水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星，但是由于冥王星位于太陽系外圍的柯伊伯帶，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)柯伊伯帶有更多圍繞太陽運(yùn)行，且質(zhì)量，體積等各項(xiàng)數(shù)值都比冥王星大的天體，所以在2006年8月24日下午，在第26屆國際天文聯(lián)會(huì)通過第5號(hào)決議，由天文學(xué)家以投票正式將冥王星劃為“矮行星 ”，從“行星”之列中除名，于是“九大行星”變成了“八大行星”了。太陽系內(nèi)還存在為數(shù)眾多的小質(zhì)量天體，主要集中在火星和木星的軌道之間的小行星帶中。此外，太陽系內(nèi)還有多得難以計(jì)數(shù)的流星體，有些流星體成群分布，稱流星群。

太陽系八大行星的公轉(zhuǎn)軌道幾乎在一個(gè)平面上，這個(gè)平面叫“黃道平面”；而彗星和柯伊伯帶天體的運(yùn)行軌道通常都有比較明顯的傾斜角度。地球的自轉(zhuǎn)軸與黃道平面也并不是垂直的，二者成23.5°的夾角；正因?yàn)檫@個(gè)夾角的存在，太陽直射點(diǎn)在地球那北回歸線之間移動(dòng)，地球上才出現(xiàn)了四季的變換。

在太陽引力的作用下，各個(gè)星球繞太陽公轉(zhuǎn)的星球軌道形狀為：近圓形、橢圓形、拋物線形和雙曲線形。在太陽系中，水星、金星、地球、火星，它們的繞太陽公轉(zhuǎn)軌道形狀為近圓形；而外圍的木星、土星、天王星、海王星公轉(zhuǎn)軌道為橢圓形；太陽系的彗星公轉(zhuǎn)軌道為橢圓形、拋物線形和雙曲線形。

四、太陽（恒星）起源與演化

關(guān)于恒星的起源與演化，這是一個(gè)很復(fù)雜的過程，以下表述只是一個(gè)概括。

首先人們最早探索這個(gè)問題是從能源角度入手的，就是思考到底是什么能源能讓恒星一直發(fā)光發(fā)熱呢？人們通過一步步假設(shè)論證恒星起源問題,以太陽為例，假設(shè)太陽的質(zhì)量全是煤炭的話，并且在維持現(xiàn)在的光度（輻射功率）的情況下估算得出這個(gè)能源只能燒5000年 ，顯然這個(gè)結(jié)論是錯(cuò)誤的。等到19世紀(jì)開爾文和亥姆霍茲提出一個(gè)理論：恒星是通過引力收縮，然后使引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能從而轉(zhuǎn)化為輻射能，而向外輻射能量，通過這種理論計(jì)算太陽質(zhì)量可以維持3000萬年左右，這個(gè)時(shí)間在當(dāng)時(shí)看來已經(jīng)很長(zhǎng)了，但是在后來人們通過放射性年代法測(cè)量出地球年齡肯定不止3000萬年，所以這種理論也不對(duì)。后來就是愛因斯坦提出了質(zhì)能方程E=mc^2,如果太陽質(zhì)量全部被轉(zhuǎn)化為能量再維持現(xiàn)在的光度，可以持續(xù)幾十萬億年（并不是全部質(zhì)量都轉(zhuǎn)化為能量，只需要小部分就足夠了），目前計(jì)算得到的太陽壽命可以持續(xù)100億年。

在探究完質(zhì)量來源問題之后，人們便開始考慮恒星的演化問題了，首先要知道的是恒星不會(huì)是平白無故冒出來的，目前已經(jīng)通過大量觀測(cè)證實(shí)了恒星最初的形式是彌散星云，所謂彌散星云是指宇宙中的一些氣體還有少量塵埃，主要由氫和少量的氦，星云的直徑可以達(dá)到上百光年，起初由于萬有引力的作用，在達(dá)到金斯不穩(wěn)定性判據(jù)后一些星云開始坍縮形成原恒星，原恒星就是恒星生命的開始。

下面假設(shè)星云成功形成了一片原恒星，一般原恒星的質(zhì)量在0.08個(gè)太陽質(zhì)量到100個(gè)太陽質(zhì)量之間，原恒星同樣發(fā)光發(fā)熱，但是這部分能量是又赫姆霍茲和開爾文所說的理論即引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為輻射能，但是隨著引力的收縮原恒星內(nèi)部的壓力也會(huì)越來越大，而變得不透明，所以輻射只能由表面釋放出去，而內(nèi)部的輻射就被內(nèi)部氣體所吸收，當(dāng)引力與氣體壓力相等時(shí)，收縮也就停止了，內(nèi)部溫度也持續(xù)在升高，當(dāng)內(nèi)部溫度達(dá)到800萬開時(shí)，核心的氫核聚變就開始了，此時(shí)主要的反應(yīng)就是氫聚變?yōu)楹?。聚變反?yīng)的開始標(biāo)志著恒星進(jìn)入了主星序行列，恒星的壯年期也正式開始了。而對(duì)于原恒星質(zhì)量小于0.08個(gè)太陽質(zhì)量的恒星，由于其內(nèi)核的溫度到不了800萬開無法進(jìn)行氫核聚變，無法進(jìn)入主序列，這樣的恒星稱為褐矮星。

對(duì)于進(jìn)入主序帶的恒星，其在主序帶的時(shí)間取決于其內(nèi)部中心區(qū)域的氫全部聚變?yōu)楹に脮r(shí)間，質(zhì)量越大燃燒越快，停留時(shí)間越短；反之，停留時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)恒星的氫燃燒完之后也就進(jìn)入了恒星的晚年。

下表所示是各種質(zhì)量恒星最終演化結(jié)果：

對(duì)于質(zhì)量在0.08到0.5個(gè)太陽質(zhì)量的恒星，其氦核收縮后仍然達(dá)不到一億K，不能進(jìn)行氦的聚變，最終只能形成一顆氦白矮星。

對(duì)恒星的晚年階段，質(zhì)量在0.5到2.3個(gè)太陽質(zhì)量之間的恒星，即包括太陽的晚年，此時(shí)其核心全部變?yōu)楹ぃ_始脫離主序帶，因?yàn)闅淙烤圩優(yōu)楹ぃ訑?shù)目減少，由理想氣體狀態(tài)方程PV=NRT可知，其內(nèi)部氣體壓強(qiáng)減少而不足以對(duì)抗外層的引力，所以核心就會(huì)收縮，引力勢(shì)能再次轉(zhuǎn)化為輻射能，內(nèi)部溫度又開始升高，這部分溫度會(huì)先點(diǎn)燃氦核心外部的一層氫即殼層的氫，氫燃燒需要輻射能量，核心收縮也要輻射能量，所以此時(shí)恒星外層就會(huì)開始膨脹降溫，此時(shí)恒星亮度將會(huì)增加，形成一顆亞巨星，隨著核收縮將勢(shì)能轉(zhuǎn)化的輻射能的增加，外層進(jìn)行膨脹，恒星大小迅速增加，通常直徑會(huì)變?yōu)樵瓉淼?0到100倍，其溫度也迅速降低，并且恒星變紅，成為一顆紅巨星，注意此時(shí)核心溫度還沒到氦的聚變溫度，氦并沒有燃燒，恒星變亮是因?yàn)楹诵臏囟鹊纳咄鈱拥臍淙紵母鼊×伊?，所以紅巨星很大很亮。接下來隨著核心溫度的進(jìn)一步升高，核心的氦會(huì)發(fā)生兩個(gè)變化：1、在物理構(gòu)造上核心的氦會(huì)進(jìn)入電子簡(jiǎn)并態(tài)； 2、當(dāng)核心溫度高達(dá)1億開時(shí)核心的氦開始聚變?nèi)紵優(yōu)樘己脱?。?duì)于電子簡(jiǎn)并態(tài)來說，其壓力和溫度是沒有關(guān)系的，當(dāng)核心氦聚變開始后，核心的溫度進(jìn)一步升高，但是由于其電子簡(jiǎn)并態(tài)，其體積不變，相應(yīng)的氦聚變反應(yīng)也越來越迅速，核心的氦會(huì)以一種接近爆炸式的方式燃燒，這個(gè)過程就叫做氦閃。對(duì)于這個(gè)過程來說，它雖然很像一下子就能釋放出大量能量或者迅速膨脹而毀掉太陽系的一切，但是實(shí)際上，氦閃我們幾乎觀察不到，只能在理論上模擬。原因是：1、氦閃這個(gè)過程確實(shí)會(huì)釋放大量的能量，但是持續(xù)時(shí)間極短；2、簡(jiǎn)并態(tài)也是可以解除的，隨著內(nèi)部溫度的升高核心會(huì)迅速的解除簡(jiǎn)并態(tài)，一旦簡(jiǎn)并態(tài)解除，核心便會(huì)迅速膨脹并且吸收大量的能量，幾乎可以將氦閃釋放的能量完全吸收，而此時(shí)核心的氦聚變完成后，核心就變?yōu)榱颂己脱?，粒子?shù)量再次減少，核心又開始收縮，核心溫度又開始升高，再次點(diǎn)燃?xì)拥臍?，隨著氫的聚變逐漸又會(huì)包裹一層氦，當(dāng)核心再次達(dá)到簡(jiǎn)并態(tài)時(shí)，外層的氦也開始燃燒，此時(shí)是氫也在燃燒，氦也在燃燒，恒星進(jìn)入雙殼層燃燒階段，外部開始迅速膨脹，膨脹到比紅巨星還大，變?yōu)橐活w紅超巨星，由于體積過大，外層物資已經(jīng)不受控制，相當(dāng)于外層被拋射了出去，而形成了一片行星狀星云，而恒星的碳氧內(nèi)核也就成了一顆獨(dú)立的碳氧白矮星，達(dá)到恒星一生的終點(diǎn)。

對(duì)于質(zhì)量在2.3到8的太陽的質(zhì)量大體演變與上述差不多，但是由于質(zhì)量更大，其演變速度會(huì)更快，并且其在核心的氫燃燒完后溫度會(huì)迅速上升到1億開，氦會(huì)直接開始聚變，而沒有氦閃過程。

對(duì)于恒星質(zhì)量大于8個(gè)太陽質(zhì)量時(shí)，其碳氧核溫度更高達(dá)到30億開，開始碳氧的聚變，生成鈉、鎂、硅等元素最后到鐵，最后生成一個(gè)鐵的中心核，當(dāng)溫度達(dá)到50億開時(shí)，鐵核會(huì)在高能光子（伽馬射線）的作用下進(jìn)行光致分解變?yōu)楦〉牧Ｗ?，此過程會(huì)吸收大量能量使內(nèi)核快速坍縮，這個(gè)壓力甚至連電子簡(jiǎn)并態(tài)也支撐不住而使電子被壓入原子核中，質(zhì)子和電子形成中子并且釋放中微子，這個(gè)中微子由于吸收了極大的能量便將鐵外殼擊穿形成了超新星爆炸，之后這個(gè)壓力將又這個(gè)鐵中子核承受，形成一個(gè)鐵中子星，但是當(dāng)恒星的質(zhì)量大于30個(gè)太陽質(zhì)量時(shí)，連中子簡(jiǎn)并壓都無法承受這個(gè)壓力了，便會(huì)進(jìn)一步坍縮，于是形成了黑洞。