氦气竟然和星际形成有关?
行星形成的研究涉及天文物理、行星科学、统计力学与非线性动力学等领域,行星科学家已大致发展出两种主要理论。连续吸积(sequential-accretion)学说认为,细微的尘埃颗粒会聚积成坚硬的石块,然后吸引大量气体,形成木星般的气态巨行星(gas giant);若没有吸引到大量气体,就变成类似地球的固态行星。这理论的主要缺点是整个过程太缓慢,气体可能在行星建构完成前便逸散无踪了。
另一个是重力不稳定性(gravitational-instability)学说,它认为气态巨行星形成于不成熟气盘与尘埃崩解时的骤然撕裂声中,这是一种恒星形成过程的小型翻版。这项假说仍有争议,因为它假设必须有非常不稳定的条件存在,而自然环境可能无法满足这种极端条件。况且,天文学家已经发现最重的行星与最轻的恒星间有道鸿沟,也就是说,尺度介于两者之间的天体非常稀少。这个不连续性意味著行星的形成并非等同单纯的小型恒星,它应该和恒星有著全然不同的起源。
虽然研究人员尚未完全解决这个争论,但多数认为连续吸积学说是两者之中较可行的理论。我将在这里探讨此学说。
我们太阳系所在的星系,是由1000多亿颗恒星所构成的,恒星间瀰漫著的云气与尘埃,大部份是前几代恒星所遗留下来的残骸。「尘埃」在这裡指的是凝聚在恒 星外层较冷的微小冰粒、铁,以及其他固态物质,它们在恒星死亡时被抛入星际空间中,当云气够冷且够致密时,就会因重力坍塌而形成恒星。这整个过程需要10万至数百万年。
环绕在每一颗恒星周遭的旋转圆盘是由剩馀物质构成的,而那就是建构行星的必要物资。刚形成的圆盘主要成份是氢气与氦气,在圆盘高温緻密的内层区域,尘埃颗粒会被气化,而在又冷又稀薄的外层,尘埃粒子可以倖存,并且会因为气体凝结在它们身上而成长。
天文学家已发现了许多年轻恒星的周围环绕著这种圆盘。年龄介于100万~300万年的恒星具有富含气体的圆盘;而恒星的年龄大于1000万年以上时,其圆盘则贫瘠而缺乏气体,因为气体不是被刚诞生的恒星、就是被邻近的亮星吹散了。而在这两段时间之间就是行星形成的时期。圆盘的重元素含量大致与太阳系行星所具有的重元素含量相当,这提供了一个强而有力的线索,证实行星的确来自于这类气盘。结果:新诞生的恒星周围环绕著气体与微米大小的尘埃颗粒。
原来自星系诞生的时候氦气便存在与这个世界,是不是很神奇呢?要知道氦气在地球上可是一种非常珍惜的资源呢!
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