原始星云的初期演化

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1、http:/ 原始星云的初期演化原始星云的初期演化 李振芳 长安大学（710064） E-mail：lizhf_摘摘 要：要： 本文提出了原始星云的演化过程是由于受力和受热而引起变形的过程的观点。 在演 化过程中万有引力和离心力使原始星云逐渐演化为扁圆盘形， 而经向力平衡圈则将原始星云 分割成了三个不同的组成部分，从而完成了原始星云的初期演化。 关键词：关键词：原始星云 团块 变形 原太阳 1引言引言 自从康德于 1755 年提出星云假说至今已有 250 多年了，这期间人们对太阳系的演化提出了各种不同的假说，但却不能被人们普遍接受，一个重要原因是：我们能够直接观测到的太阳系这样的行星系统只有一

2、个，而演化成现在所观测到的太阳系的格局的过程，在 40 多亿年前已经完成。 这就给我们的研究工作带来了极大的困难， 但是人类探索宇宙的脚步从来就没有停止过。 宇宙学的研究中取得的成果给太阳系的演化研究提供了一些新的线索。 太阳系的演化向前可追溯到原始星云的形成。 人们普遍接受的一个观点是： 太阳系是由原始星云演化而成的。这样原始星云的初期演化过程就成了解开太阳系演化之谜的第一关。我们对原始星云是如何产生的，它的运动和初始状态是怎样的，都必须做出合理的，正确的描述。然后，才能以此为起始点，通过符合逻辑的推演，一步步展开对原始星云的初期演化过程的探索。 2原始星云的形成原始星云的形成 根据宇宙学的

3、观点可知， 宇宙是一片充满全空间的均匀介质。 宇宙物质在大尺度上是均匀的，各向同性的。在均匀介质中一旦出现小的密度起伏，自引力将使起伏的幅度放大，引伸下去，最后将局部地形成密度超过背景密度的团块。1 若将团块做为考察对象，它在一定的足够大的尺度上仍是均匀的， 那么在团块中若出现较小的密度起伏也将会出现与上述过程相同的情形， 从而产生新的团块。 而这些团块与它们的母体相比， 无论从密度还是大小上看，都不在同一数量级上，我们若用级别加以区别，第一次产生的为一级团块，以后依次产生二级团块，三级团块，则一级为最高级。而形成太阳系的原始星云就是某一级团块中的一个团块。 2.1 原始星云的形状原始星云的形

4、状 原始星云的初始形状，大致有如下三种：球形、椭球形、棒旋形。由于密度小，原始星云会呈现出气体特征，因此原始星云的外廓是毛糙的，不规则的。以上三种形状也仅是大致的分类，仅就外形而言，团块与小行星近似，可把小行星看作是团块外观在很小尺度上的缩-1- http:/ 影。各团块之间并没有明显界线，这种情形就如同河滩上的石子，虽然从性状来看，它们都是石子， 但从形状上看， 则每个石子与其他石子都不会完全一样， 在难以数计的众多石子中，没有两粒形状完全相同的石子，原始星云也是一样，所有的星云性状都相同，例如，它们都由均匀介质构成，都有一定的密度，都有自转运动，这是它们的共性，但在形状上则每一块原始星云都

5、是特殊的，独一无二的，因此我们对它们的形状只能做大致的分类。在演化过程中，原始星云的形状，以及形状的变化对于演化的结果，都起着至关重要的决定性的作用。 2.2 原始星云的受力变形原始星云的受力变形 原始星云的运动是伴随着它的产生而同时出现的，它一开始就有绕着自身轴线的自转。另外，由于万有引力的作用，星云中的物质颗粒之间的互相吸引也会使这些颗粒产生运动，这种运动的结果会使星云内部产生密度变化。 星云的自转和万有引力的作用都会使原始星云产生形变。 原始星云外廓上的任意质点都会受到中心对它的引力作用， 在这个力的作用下质点会向星云中心沉降。当球形星云中的物质颗粒很均匀时，外廓上任意一点所受到的引力相

6、同，这种作用使星云收缩， 体积变小， 密度增大。 同时外廓的毛糙程度也会减小。 由于星云的自转，质点上也会产生离心力， 离心力的作用是使质点远离自转轴线。 在外廓上不同处的质点的离心力是不同的，离自转轴越远或离赤道面越近，则离心力越大，因此在这两个力的共同作用下，会使原始星云中产生离极力，使星云中的物质的运动趋势是向星云中心和赤道面沉降，使赤道面上星云半径远大于两极半径。 在万有引力和离心力的作用下， 星云的外廓逐渐变为扁椭圆形。当变形一旦产生，在星云外廓上的万有引力的大小就会产生差异，由于万有引力的大小是与质点到中心的距离的平方成反比， 那么靠近两极的质点受到的引力会大于靠近赤道的质点，而且

7、它们的差距会迅速增大。同时，由于密度的增加，靠近赤道处，外廓上的质点的速度会远大于靠近极轴的质点的速度，赤道附近离心力仍然远大于两极附近的离心力。这样， 星云中物质运动趋势会使赤道半径大于两极半径的作用更加强化， 最终使得原始星云演变成扁园盘形。从以上分析可推知，如果原始星云一开始就是椭球形，那么它们会演变成更为扁平的扁园盘形， 即使是其他不规则形状的原始星云也同样会产生向扁园盘形演化的趋势。 这个趋势就是使星云自转轴方向的半径越来越小， 而赤道面上的半径与轴向半径之比越来越大的倾向。 虽然星云整体是在收缩，但它的形状却在逐渐变化着。 2.3 原始星云的密度原始星云的密度 原始星云的团块的级别

8、越低，则密度越大，作为我们考察对象的某个团块，不论它属于哪个级别，它内部的密度在某一相应尺度上仍然可以视为是均匀的。 所有级别的团块构成一个大的系统，在这个系统中存在着密度梯度，而在系统的局部，如某一团块内部，这种密度梯度并不明显，可视为均匀的。但是一团块的密度会随着它所在的环境条件变化而变化， 原始星云做为一个团块， 它的密度也同样会随着周围条件的变化而-2- http:/ 变化。在原始星云中影响它的密度变化的因素有两个，一个是运动，另一个是温度变化。运动和温度变化只是表象， 其实质仍然是力和热的作用。 由力和热的作用引起的原始星云的密度变化，也同样强化了它向扁园盘形变化的趋势。因此，我们可

9、以通过对原始星云中的力和热引起的变化来分析和研究原始星云的演化过程。 3原始星云赤道面上的演化原始星云赤道面上的演化 为了尽量避免用小概率事件构建演化模型， 将原始星云在赤道面上的形状设想为一个极不规则图形，如图 1 所示：图中 0 为原始星云中心，Rmax、Rmin分别为半径的最大值和最小值， Rm为Rmax、Rmin的平均值，若以Rm为半径所做的圆为参照，那么从图中可知，原始星云外廓上， 有些部分相对于参照圆凸出来， 也有些部分凹陷下去。 对于任意形状的原始星云来说都会出现这种现象。 设定这样的不规则的图形， 做为原始星云未演化前的形状， 可以避免小概率事件成为演化结果的必要条件，使我们的

10、演化模型更具普适性。 图 1 原始星云赤道面上的形状变化示意图 3.1 外廓形状的变化外廓形状的变化 由于原始星云一开始就在自转，所以， 它的外廓上的物质颗粒， 就会与它周围的介质之间产生摩擦， 这种摩擦实质上就是微小和颗粒之间的碰撞，在这种作用下，原始星云上凸出来的部分中 的颗粒就会逐渐产生位移， 外廓上的颗粒还会与里面的颗粒互相碰撞， 同样使里面的颗粒产生位移，这种位移的结果，使得凸出来的部分逐渐减少。这样一来，凸出部位的 R 值就会减小，凹陷部位的 R 值增大，整个星云外廓的半径差亦随之减小。星云外廓半径差的大小，反映了其外廓与参照圆的误差的大小。星云外廓半径差的减小，使星云产生了趋圆倾

11、向。 3.2 角速度梯度的影响角速度梯度的影响 在原始星云刚刚形成时，它的密度是均匀的，其状态与气体接近，当它自转时，同一半径上不同位置的角速度 W 也不相同，离中心 O 越近则 W 值越大，外廓处 W 值最小，这样就形成了角速度梯度。角速度梯度如果存在，那么，在角速度梯度的作用下，凸出于参照圆部位的 W 小于凹陷部位的 W 值，在星云自转过程中，凸出部分的物质颗粒，滞后于同半径上靠里面的颗粒， 这种效应会使凸出部位的物质逐渐填补到凹陷部位， 因此角速度梯度对原始星云的演化也同样起到减小其外廓形状误差的作用。 -3- http:/ 3.3 温度变化的影响温度变化的影响 从宇宙学中可知原始星云形

12、成之初温度很高，在其后的演化过程中，温度逐渐降低。因此， 原始星云的初期演化阶段是一个冷却收缩的过程， 物体在温度变化时都会以一定的收缩系数膨胀或收缩。同一物体，当密度均匀时，各部位的收缩系数是一定的。原始星云的温度降低同样会使它以某一系数收缩。但是，线度不同的部位收缩量的大小不同。如图 1 中，当以同一系数收缩时，Rmax处的收缩量必然大于Rmin处的收缩量，而这种收缩量之比，与它们的线度之比相同。在星云的收缩过程中，由于上述原因，其外廓的形状相对于参照圆仍然存在着原有的形状误差，只是误差的大小发生了变化，星云的收缩会使这一误差值减小。 由于上述的原因可知，原始星云赤道面上的外廓形状误差，在

13、演化过程中逐渐减小，逐渐趋于平滑，越来越接近圆形。 4径向力平衡圈的形成径向力平衡圈的形成 由于万有引力的作用，星云内的质点与中心 O 之间相互吸引，使质点受到沿半径指向中心的向心力的作用。如图中，P 为星云外廓上任意一点，OP 为半径， M 为 OP 上的质点，当质点 M 受到沿着径向的向心力或离心力的作用，且径向矢量和为零时，质点 M 所在的位置称为质点 M 的径向力平衡点，如图 2 中的 M 点。当某一质量的颗粒处在质点 M 的径向力平衡点，若其矢量和不为零时，那么此点已不是它的径向力平衡点， 不同质量的颗粒在某条半径上 的径向力平衡点的位置会沿着此半径移动。 由于星云中不同颗粒的质量大

14、小分布在一个范围之内， 因此在任意半径上， 质量大小不同的颗粒的径向力平衡点也分布在一个相应的范围之内。这样，在原始星云中就形成一个径向力平衡圈。如图 2 中 2 所示。在不同半径上，由于 R 值越大径向力平衡点到中心 O 的距离也越大， 所以， 径向力平衡圈大形状与星云外廓形状相似。只是比星云外廓变小了。 图 2 径向力平衡圈形成示意图径向力平衡圈形成之后，原始星云就被分成了三部分。在径向力平衡圈以外的部分，其状态为云状，可称为云。如图 2 中 1 所示。太阳系的原始星云的这一部分，后来演化成今天我们观测到的奥尔特云，2其中由于粘性物质很少，物质颗粒在运动中的相互碰撞，仍不能使它们凝聚成如同

15、行星、 卫星一样的较大天体， 尽管与其它部分同样经历了漫长的演化过程，这一部分星云也只是能发生一些微小的结构的变化， 只可能形成一些彗星。 如果用某部分中物质颗粒的尺寸与颗粒之间的距离之比做为其形状参数， 那么奥尔特云就是原始星云中状态参数值最低的组成部分。 第二部分是径向力平衡圈。 在太阳系中的柯依伯带， 就是由径向力平衡圈演化而成的，它主要是由彗星组成，其状态参数高于奥尔特云。 -4- http:/ 径向力平衡圈以内的部分，称为原恒星，如图 2 中 3 所示。在太阳系中称原太阳，其状态参数远大于其它两部分的状态参数， 原太阳陆续演化， 形成了太阳系和它周围的行星系统。 5结论结论 综上所述

16、，原始星云的初期演化过程，就是它在受力和受热的条件下产生变形的过程，能够演化成行星系统的原始星云，都会经历扁园盘形的演化过程，然后，由径向力平衡圈将其分割成三个不同的组成部分，其中心部分就是原恒星或原太阳。 参考文献参考文献 1 俞允强著【热大爆炸宇宙学】北京大学出版社 2003 年 1 月（156） 2 庄荣 谢世如编著【星空初探】湖北教育出版社 1998 年 2 月第一版（7779） Initial evolution of original nebula Li Zhenfang Changan University （710064） Abstract The viewpoint is present in this paper that the evolution of original nebula arise f