第一步:一開始的狀態 —— 一團巨大、緩慢旋轉的雲
在很久很久以前,太陽系還沒形成時,我們的宇宙角落存在著一團非常巨大、稀薄,主要由氫和氦氣體以及一些塵埃所組成的雲氣,我們稱之為「太陽星雲」。
這團雲氣並非完全靜止的。它在宇宙中飄盪了數十億年,內部可能受到附近超新星爆炸的震波、或其他恆星經過的引力擾動,使得它帶有非常、非常微弱的「初始旋轉」。
你可以想像一個平靜湖面上的一片巨大落葉,它幾乎不動,但如果你用顯微鏡看,可能會發現它有一絲絲幾乎無法察覺的自身轉動。 這個「初始角動量」就是關鍵。第二步:關鍵物理定律上場——角動量守恆
現在,最重要的物理定律登場了:角動量守恆。
什麼是角動量?簡單來說,就是「物體旋轉的強度」。它的大小取決於三件事:
- 物體的質量
- 物體旋轉的速度
- 質量離旋轉中心的遠近(分佈半徑)
角動量守恆的意思是:在一個封閉系統中,如果沒有外力干擾,它的總角動量不會增加也不會減少,必須保持不變。
讓我們請出冰上芭蕾舞者來當我們的模特兒:
- 當她雙手張開時:她的質量分佈離身體中心很遠(半徑大)。這時她會轉得比較慢。
- 當她將雙手緊緊抱回胸前時:她的質量集中到旋轉中心(半徑變小)。這時,她會越轉越快!
為什麼?因為她的「質量」沒變,但「分佈半徑」變小了。為了讓「角動量」保持不變,唯一的辦法就是讓「旋轉速度」增加。
這就是「角動量守恆」的魔法。
第三步:把魔法套用在太陽星雲上
- 開始收縮:由於自身的重力,這團巨大的星雲開始向內坍縮。這就像舞者把張開的雙
手收回來一樣,整個系統的「半徑」正在急遽變小。 - 開始加速旋轉:根據角動量守恆,當星雲的半徑縮小時,它原本那微乎其微的「初始
旋轉」就會被急遽放大,整個星雲的旋轉速度會越來越快。
第四步:為什麼是「盤狀」而不是「球狀」?——離心力 vs. 重力
現在星雲轉得飛快,就會產生強大的「離心力」。
- 在赤道方向:離心力的方向是向外甩,它會試圖抵抗向內收縮的重力。重力想把氣體
拉向中心,離心力卻想把氣體甩出去。兩股力量在赤道面上達到一個平
衡,使得物質無法進一步向中心坍縮。結果就是,物質被「卡」在赤道
面上。 - 在兩極方向:這裡幾乎沒有離心力,只有垂直向下的重力。所以重力可以毫無阻礙地
將物質拉向中心。
用一個生活化的比喻:
想像你在揉一個濕濕的、鬆散的雪球。如果你只是雙手輕輕捧著,它是一個球。
但如果你開始快速轉動它,會發生什麼事?
雪球會在你的手掌間被壓扁,變成一個飛盤狀的雪餅!因為轉動時,赤道方向的離心力把雪往外推,而你的手(重力)從上下兩極方向把它壓扁。
太陽星雲的過程就跟這個一樣:
- 重力從所有方向向內壓縮,就像你的雙手。
- 離心力在赤道方向向外抵抗。
- 最終,星雲在垂直於旋轉軸的方向(赤道面)被壓扁,形成一個巨大的旋轉盤——這就是所謂的「原行星盤」。
總結一下:
- 起點:一團巨大、有微弱初始旋轉的星雲。
- 觸發:自身重力導致向內收縮(半徑變小)。
- 關鍵:角動量守恆定律發揮作用,使得旋轉速度急遽增加。
- 成形:快速旋轉產生的離心力在赤道面抵抗重力,但在兩極方向無力抵抗,導致星雲
被壓扁成一個盤狀結構。
這個盤狀結構的中心,物質最密集,最終收縮、點燃核融合,形成了太陽。
而在盤面上的其他物質,則互相碰撞、合併,逐漸形成了行星、小行星等天體。
這也解釋了為什麼太陽系中所有的行星,大致都運行在同一個平面(黃道面)上,並且公轉方向一致——因為它們都誕生於同一個旋轉的盤狀星雲。
太陽系與行星的形成
根據星雲學說,在46億年前太陽系還只是一團充滿氣體和塵埃的星雲,因鄰近有超新星爆炸射出原子序26(鐵原子)以上的”重物質”,闖進太陽系星雲中,擾動造成局部密度不均,於是太陽星雲便以這些重物質為中心而開始收縮、旋轉,盤狀中心因收縮力強、密度加大形成太陽,同時在盤狀周圍形成一個以太陽為中心旋轉的星雲環,環中物質如固體微粒、氣體和塵埃等物質因萬有引力作用、在吸積過程中持續不斷碰撞,形成大小不同的行星。地球因距太陽較近、溫度較高,碰撞聚積固態的物質顆粒成為微小行星,再聚集微小行星形成類地行星。
A.宇宙中星際星雲聚集
B.聚集的星雲因緩慢旋轉而開始橢圓收縮。
C.聚集的星雲因快速旋轉而開始扁平化。
D.聚集的星雲中心形成 元恆星(Protostar),成圓盤狀旋轉,外圍為氣體與星塵。
E.因重力吸引,星塵凝聚成直徑數十公里的微行星Planetesimal,再因凝聚迅速增長為數千公里大小的類行星胚胎Planetary embryos。
F.後因隕石撞擊等積聚作用Accretion,太陽系較內部形成類地行星(Terrestrial planets),外部形成類木行星(Jovian planets)。